книги из ГПНТБ / Бордовский Г.А. Физика учеб. пособие для студентов фак. естествознания пед. ин-тов
.pdfЛенинградский ордена Трудового Красного Знамени государственный педагогический институт имени
А .1/1 .Герцена
Г.А.БОРДОВСКИЙ
ФИЗИКА
(Учебное пособие для студентов факультета естествознания педагогических институтов)
под редакцией проф.И.М.Бронштейна
Ленинград
1973
Л
I Гее. публичная
научно - тахимч^^ная
UHUJiniJIWR«б и б л к о т в C-O O P 1
ЭКЗЕМПЛЯР
ЧИТАЛЬНОГО ЗАЛА
Г.А .Бардовский. ФИЗИКА. Учебное пособие для студентов
факультета естествознания педагогических институтов. Л. ЛГПИ им.А.И.Герцена. 1973. 216 стр. с илл.
Книга представляет собой краткое учебное пособие по фи - зике, в котором в сжатом виде изложены основные вопросы физи ки в объеме, предусмотренном программой для студентов факуль тета естествознания педагогических институтов. Основному ма - териалу предшествует краткое математическое введение. Цногие физические явления и процессы иллюстрируются на примерах,взя
тых из биологии, медицины и других естественных наук.
В конце каждой главы приводятся задачи, назначение кото рых состоит в том, чтобы помочь студенту лучше понять те фи -
зические законы, которые рассматривались в этой главе.
Учебное пособие рассчитано на студентов-биологов, меди - ков и некоторых специальностей сельскохозяйственных институ -
тов. Книга также может быть полезна для биологов, медиков |
и |
учителей биологии. |
|
|
|
|
О Г Л А В Л Е Н И Е |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
Стр. |
ГЛАВА I . ВВЕДЕНИЕ...................................................................................... |
|
|
|
|
|
8 |
||
§ 1 .1 . |
Что такое ф и з и к а ? .............................................. |
|
|
8 |
||||
§ |
1 .2 . |
Краткое математическое введение . . . . |
10 |
|||||
|
|
1 .2 .1 . Дифференцирование функций . . . . |
II |
|||||
|
|
1 .2 .2 . Интегрирование ..................................... |
|
|
14 |
|||
|
|
1 .2 .3 . |
Операции |
с |
векторами |
....................... |
I? |
|
§ 1 . 3 . |
Системы единиц |
. ' |
. .............................................. |
|
|
18 |
||
§ 1 .4 . |
упражнения . . ........................................................ |
21 |
||||||
ГЛАВА П. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ КЛАССИЧЕСКОЙ МЕХАНИКИ ................... |
22 |
|||||||
§ |
2 .1 . Кинематика.................... |
|
■ ........................................ |
|
|
22 |
||
|
|
2 .1 .1 . Скорость |
|
|
|
|
22 |
|
|
|
2 .1 .2 . Ускорение................................................... |
|
|
|
24 |
||
§ |
2 .2 . Законы ди нам и к и .................................................. |
|
|
|
26 |
|||
|
|
2 .2 .1 . |
Первый закон Ньютона ....................... |
|
26 |
|||
|
|
2 .2 .2 . |
’ Второй |
закон Н ь ю тон ...................а |
27 |
|||
|
|
2 .2 .3 . Третий закон Ньютона ....................... |
|
29 |
||||
§ 2 .3 . Закон |
всемирного тяготения |
. . . . . . |
31 |
|||||
§ |
2 .4 . Применение законов |
динамики к вопросу о |
|
|||||
|
|
полете |
искусственных спутников Земли . . |
34 |
||||
§ |
2 .5 . Законы сохранения |
.............................................. |
|
|
35 |
|||
|
|
2 .5 .1 . |
Закон сохранения |
импульса . . . . |
35 |
|||
|
|
2 .5 .2 . Закон сохранения момента импульса |
.37 |
|||||
|
|
2 .5 .3 . |
Закон сохранения |
энергии . . . . |
38 |
|||
|
|
2 .5 .4 . Закон сохранения |
тяжелых частиц . |
43 |
||||
§ |
2 .6 . Релятивистская |
механика . ............................ |
44 |
|||||
|
|
2 .6 .I,. "Здравый смысл" и действительность |
44 |
|||||
|
|
2 .6 .2 . |
Принципы относительности . . . . |
46 |
||||
|
|
2 .6 .3 . |
Сокращение |
длины . ............................ |
48 |
|||
|
|
2 .6 .4 . Замедление |
времени. Парадокс близ |
|
||||
|
|
|
нецов ........................................................... |
|
|
|
|
49 |
|
|
2 .6 .5 . Одновременность событий ................... |
51 |
|||||
|
|
2 .6 .6 . Релятивистское сложение скоростей |
52 |
|||||
|
|
|
. - 3 |
- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Стр. |
§ 2 .7 . |
Упражнения.............................................................. |
|
53 |
||
ГЛАВА Ш. МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ................................ |
55 |
||||
§ 3 . 1 . |
Общие |
представления молекулярно-кинети |
|
||
|
|
ческой |
теории строения вещества . . . . |
55 |
|
§ |
3 .2 . |
Два метода рассмотрения явлений природы |
57 |
||
|
|
3 .2 .1 . |
Ыакропарамѳтры газа ............................ |
57 |
|
|
|
3 .2 .2 . |
Микропарамѳтры газа ............................ |
59 |
|
§ 3 .3 . |
Статистика идеального газа ........................... |
61 |
|||
|
|
3 .3 .1 . Основное уравнение молекулярно- |
|
||
|
|
|
кинетической теории газов . . . . |
62 |
|
|
|
3 .3 .2 . Теоретическое |
обоснование газовых |
|
|
|
|
|
зак он ов ...................................................... |
|
63 |
|
|
3 .3 .3 . |
Физический смысл температуры . . |
65 |
|
|
|
3 .3 Л . |
Распределение |
Максвелла-Больцмана |
66 |
|
|
3 .3 .5 . |
Статистические |
методы в биологии |
72 |
§ 3 .4 . |
Явления переноса в газах ............................... |
73 |
|||
§ |
3 .5 . |
Термодинамика . . . . . ............................... |
76 |
||
|
|
3 .5 .1 . Первое начало |
термодинамики. Теп |
|
|
|
|
|
лоемкость ............................................. |
. |
76 |
|
|
3 .5 .2 . |
Обратимые и необратимые процессы |
80 |
|
|
|
3 .5 .3 . |
Второе начало термодинамики . . . |
81 |
|
|
|
3 .5 .4 . |
Статистическое |
толкование второго |
|
|
|
|
начала термодинамики ....................... |
84 |
|
|
|
3 .5 .5 . |
Третье начало термодинамики . . . |
88 |
|
|
|
3 .5 .6 . |
О термодинамике живых систем . . |
88 |
|
§ 3 .6 . |
Упражнения............................................................... |
|
90 |
||
ГЛАВА ІУ .ЭЛЕМЕНТЫ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ ............................................. |
|
92 |
|||
§ |
4 .1 . |
Электрические заряды |
и п о л я ...................... |
93 |
|
|
|
4 .1 Л . Электрическое |
поле неподвижных |
|
|
|
|
|
зарядов (электростатическое поле) |
93 |
|
|
|
4 .1 .2 . Потенциал электростатического поля |
97 |
||
|
|
4 .1 .3 . Проводники и диэлектрики в элект |
|
||
|
|
|
рическом п о л е |
.............................................. |
100 |
|
|
4 .1 .4 . биопотенциалы . . . . . . . . . . |
102 |
||
§ |
4 .2 . |
Электромагнитное п о л е ........................................ |
ЮЗ |
||
|
|
4 .2 .1 . |
Электрический |
ток .............................. |
ЮЗ |
|
|
|
- 4 - |
|
|
|
|
|
|
|
|
Стр. |
|
|
|
|
4 .2 .2 . |
Магнитное п о л е ............................. |
106 |
|
|
|
|
|
4 .2 .3 . |
Электромагнитная индукция . . |
. |
ІЮ |
|
|
|
|
4 .2 .4 . Электрические и магнитные свойст |
|
|||
|
|
|
|
|
ва биологических тканей . . . . |
|
III |
|
§ 4 .3 . |
Уравнения Максвелла ........................................ |
|
112 |
|||
|
§ 4 .4 . |
Упражнения.................................................. |
|
ИЗ |
|
||
ШВА |
У. ВОЛНОВЫЕ И КОРПУСКУЛЯРНЫЕ СВОЙСТВА МАТЕРИИ . |
. |
I I 5 |
||||
|
§ |
5 .1 . |
Колебания .......................................................... |
|
|
115 |
|
|
|
|
5 |
.1 .1 . Механические колебания........... |
117 |
|
|
|
|
|
5 |
.1 .2 . Электромагнитные колебания . . |
. |
II8 |
|
|
|
|
5 |
.1 .3 . Переменный электрическийток . |
. |
120 |
|
|
|
|
5 .1 .4 . |
Роль колебаний в биологии . . |
. |
126 |
|
|
§ |
5 .2 . |
Волны |
|
|
128 |
|
|
|
|
5 .2 .1 . Уравнение волны ................................ |
|
128 |
||
|
|
|
5 .2 .2 . Электромагнитные волны ................... |
|
ІЗІ |
||
|
§ |
5 .3 . |
Волновые'свойства света ............................... |
|
133 |
||
|
|
|
5 .3 .1 . Интерференции света ....................... |
|
135 |
||
|
|
|
5 .3 .2 . Дифракция света ................................ |
|
138 |
||
|
|
|
5 .3 .3 . Поляризация света ............................ |
|
142 |
||
|
§ |
5 .4 . |
Квантовая оптика ............................................. |
|
143 |
||
|
|
|
5 .4 .1 . Недостатки волновой теориисвета |
|
143 |
||
|
|
|
5 .4 .2 . Корпускулярно-волновой дуализм. |
|
|
||
|
|
|
|
|
Гипотеза де Б ройля .......................... |
|
147 |
|
§ |
5 .5 . |
Элементы квантовой механики...................... |
|
150 |
||
|
|
|
5 .5 .1 . Уравнение Шредингера ....................... |
|
150 |
||
|
|
|
5 .4 .2 . Тунельный эффект ................................ |
|
152 |
||
|
|
|
5 .5 .3 . Соотношение неопределенностей |
|
|
||
|
|
|
|
|
Г ей зе н б е р г а ............................... |
|
152 |
|
§ 5 .6 . |
Упражнения........................................................... |
|
|
153 |
||
ГЛАВА |
У І.СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА........................................................... |
|
|
156 |
|||
|
§ |
6 .1 . |
Строение .................................................а т о м а |
|
156 |
||
|
|
|
6 .1 .1 . |
Строение атома водорода и посту |
|
||
|
|
|
|
............................................. |
латы Б о р а |
|
156 |
|
|
|
6 .1 .2 . Электронные переходы в атомах. |
. |
159 |
||
|
|
|
6 .1 .3 . .......................................................Лазеры |
|
|
ІбІ |
|
|
§ |
6 .2 . |
Периодическая |
система элементов . . . . |
|
163 |
|
|
|
|
|
|
- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Стр. |
§ |
6 .3 . Строение |
м олекул.................................................. |
|
|
|
|
165 |
||||
|
|
6 .3 .1 . Ионная связь |
......................................... |
|
|
|
167 |
||||
|
|
6 .3 .2 . |
Ковалентная связь . . . . . . . . . |
|
167 |
||||||
|
|
6 .3 .3 . Гибридизация |
......................................... |
|
|
|
168 |
||||
§ |
6 .4 . Жидкое |
состояние вещества ............................ |
|
|
169 |
||||||
|
|
6 .4 .1 . |
Строение |
жидкости . . . ................... |
169 |
||||||
|
|
6 .4 .2 . Поверхностное натяжение |
................... |
|
172 |
||||||
|
|
6 .4 .3 . |
Внутреннее трение . . . . . . . . |
|
174 |
||||||
|
|
6 .4 .4 . Движение вязкой |
жидкости . . . . |
|
175 |
||||||
§ |
6 .5 . |
Кристаллическое вещество ............................... |
|
|
176 |
||||||
|
|
6 .5 .1 . |
Статистика электронов в |
металле |
. |
177 |
|||||
|
|
6 .5 .2 . |
Термоэлектронная |
эмиссия . . . . |
|
179 |
|||||
|
|
6 .5 .3 . |
Зонная теория |
твердых тел . . . . |
|
І8І |
|||||
|
|
6 .5 .4 . Полупроводники |
..................................... |
|
|
185 |
|||||
§ 6 .6 . |
Упражнения ..................................................................... |
|
|
|
|
|
|
І9І |
|||
ГЛАШ УП.СТРОЕНИЕ ЯДРА |
И ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ.................. |
193 |
|||||||||
§ |
7 .1 . |
Свойства |
и строение |
я д е р .................................... |
|
|
193 |
||||
|
|
7 .1 .1 . |
Свойства |
ядер |
. |
..........................................193 |
|||||
|
|
7 .1 .2 . Природа ядерных сил ........................... |
|
|
194 |
||||||
|
|
7 .1 .3 . |
Энергия |
связи |
нуклонов в |
ядре . |
. |
195 |
|||
§ |
7 .2 . |
Радиактивность |
я д е р ............................................. |
|
|
|
197 |
||||
|
|
7 .2 .1 . |
Виды радиантивности ........................... |
|
|
197 |
|||||
|
|
7 .2 .2 . |
Основные |
законы |
радиактиввого |
|
|
||||
|
|
|
" р а сп а д а ............................................................ |
|
|
|
|
200 |
|||
§ |
7 .3 . |
Деление |
и синтеа я д е р ..................... |
|
|
202 |
|||||
|
|
7 .3 .3 . Деление ядер. Цепная реакция. . |
. |
202 |
|||||||
|
|
7 .3 .2 . |
Термоядерный |
синтез. . .................... |
204 |
||||||
§ 7 .4 . |
Влияние |
радиактивных излучений |
на биоло |
||||||||
|
|
гические |
системы ....................................................... |
|
|
|
|
205 |
|||
|
|
7 .4 .1 . Ионизирующая способность |
радиак- |
|
|
||||||
|
|
|
тивного |
излучения ................................ |
|
|
205 |
||||
|
|
7 .4 .2 . |
Единицы дозы |
излучения |
.................. |
|
206 |
||||
|
|
7 .4 .3 . Действие радиактивного излучения |
|
|
|||||||
|
|
1на к л етк у ................... |
|
: ■........................... |
|
207 |
|||||
|
|
7 .4 .4 . Использование |
радиактивных излу |
|
|
||||||
|
|
|
чений |
в б и о л о г и и ..................................... |
|
|
210 |
||||
|
|
|
|
- 6 |
- |
|
|
|
|
|
|
|
Стр. |
§ 7 .5 . Некоторые сведения оо элементарных час |
|
тицах ......................................................................... |
2ІІ |
7 .5 .1 . Классификация элементарных частиц |
212 |
7 .5 .2 . Античастицы ......................................... |
215 |
§ 7 . 6 . Упражнения........................................................... |
'214 |
- 7 -
Г л а в а I
ВВЕДЕНИЕ
§ I . I . Что такое Физика V
Современная физина - это наука, которую изучают не толь
ко физики, но и биологи, химики, врачи, инженеры, агрономы , геологи, моряки - т .е . люди самых различных профессий. Поче
му же ей уделяется столько внимания? Оправдано ли это? Так ли
она необходима? В связи с этим было |
бы уместно напомнить, на |
|||
пример, о трагическом дне 6 августа |
1945 года, об открытии |
|
||
физиками колоссальнейшей энергии, таящейся в атомном ядре, |
|
|||
способной превратить мир как в цветущий сад, |
так |
и в безжиз |
- |
|
ненную пустыню. Однако этот пример все же не |
дает |
ответа |
на |
поставленный вопрос. Понять истинное значение физики, ее мес
то среди других наук, ее роль в познании мира можно, в конеч -
ном итоге, лишь после ее изучения. Поэтому в самом начале кур
са очень трудно дать полный ответ на вопрос "Что такое физи - ка?п. Можно сказать, что физика изучает самые общие законы ,
которым подчиняется материальный мир, развивающийся в прост -
ранстве и времени. Например, физика познает свойства мель -
чайших частиц материи, изучает строение земной коры, выясняет механизмы возникновения ураганов, решает вопрос о возникнове нии, развитии и структуре Вселенной в целом и т .д . Нет другой естественной науки, которая охватывала бы столь огромный диа пазон явлений. Поэтому любая из естественных наук так или иначе связана с физикой или опирается на нее.
Коснемся кратко значения физики для биологии. Известно , что живая ткань обладает определенными физическими параметра ми: электропроводностью, удельной теплоемкостью, сопротивле - ниѳм к механическим деформациям и др. При изменении биологи -
- 8 -
ческих функций организма изменяются и его физические харак
теристики, что позволяет использовать их в диагностике забо - леваний. Например, при воспалительных процессах наблюдается повышение температуры, при туберкулезе понижается прозрач ность легких, при некоторых заболеваниях нервной системы по -
вышаѳтся артериальное давление и т .д . Кроме того, в яивых ор
ганизмах неразрывно сочетаются физические, химические, биоло
гические и другие факторы. Например, глаз представляет собой сложную систему, содержащую оптическую часть (хрусталик),
электрохимический преобразователь световой энергии (сетчатка),
автоматическое устройство (механизм аккомодации, сужения и расширения зрачка) и др. Или взять процессы, протекающие в нервной системе. Часто употребляют выражение: "Из коры голов ного Возга сигнал передается на нервные окончания". Какой
сигнал? Как передается? Ответ на эти вопросы будет чисто "фи
зический". Нервные волокна - это очень тоненькие трубочки ,
стенки которых представляют своего рода конденсатор. При воз буждении они способны пропускать ионы, т .ѳ . в каком-то месте этот конденсатор разряжается. Процесс разрядки распространя - ется на соседние участки и по трубочке пробегает волна "раз - рядки" ( р и с .І .І ) . В следующее мгновение первоначальное состо яние нерва восстанавливается.
Р и с .І .І .
I - потенциал покоя, 2 - потенциал возбуждения
В конечном счете, на основе физики можно объяснить все про - цѳссы в живом организме вплоть до механизма наследственности.
Неоспорима роль физики в совершенствовании эксперименталь ных методов исследования. Меди - цина, биология, химия и другие науки сделали качественный ска - чок, освоив "физические" методы исследования (сложную прецизион ную аппаратуру, математическую обработку результатов, создание моделей и т . п . ) . Многие области физики стали вполне самостоя - тельными науками: биофизика,аст-