Физика

Почтенный А. Е.
1 200₽
ISBN
978-5-9729-2662-6
Кол-во страниц
360
Формат
148х210
Переплет
Твердый; Полноцвет
Год
2025
Вес
0,545
Библиографическая запись:
Почтенный, А. Е. П65 Физика : учебное пособие / А. Е. Почтенный. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2025. – 360 с. : ил., табл.

Излагаются основы общей физики с учетом количества часов, выделенных для данной дисциплины в технических университетах. В конце каждого параграфа, кроме вопросов для самоконтроля, приведены вопросы для самостоятельной работы, позволяющие расширить знакомство с излагаемым материалом. Особое внимание уделено современным методам исследования вещества и квантовомеханическим основам работы полупроводниковых приборов. Для студентов технических вузов, а также преподавателей и всех интересующихся физикой на уровне, выше школьного, но в минимальном объеме.

Введение 11 Часть 1. Механика 12 § 1. Кинематика. Основная задача механики. Кинематика. Модель материальной точки. Системы координат и радиус-вектор. Роль векторов. Вычисление длины вектора по значениям его компонент. Система единиц СИ. Траектория. Путь и перемещение. Средняя скорость по пути и средняя скорость по перемещению. Мгновенная скорость и мгновенное ускорение. Кинематические уравнения движения. Частные случаи равномерного и равноускоренного (равнопеременного) движения. Движение точки по окружности. Угловая скорость и угловое ускорение. Связь между линейной и угловой скоростью. Нормальное и тангенциальное ускорение 12 § 2. Динамика точки. Импульс. Второй закон Ньютона – основное уравнение динамики. Сила и масса. Силы в природе. Границы применимости второго закона Ньютона. Инерциальные и неинерциальные системы отсчета. Первый закон Ньютона. Принцип относительности Галилея. Силы инерции. Второй закон Ньютона в неинерциальной системе отсчета. Понятие механической системы. Внешние и внутренние силы. Третий закон Ньютона. Закон сохранения импульса 18 § 3. Работа и энергия. Работа силы. Мощность. Теорема об изменении кинетической энергии и определение кинетической энергии. Консервативные и диссипативные силы. Потенциальная энергия. Выбор нулевого уровня для потенциальной энергии. Закон сохранения энергии в механике. Потенциальная яма и потенциальный барьер. Происхождение законов сохранения в механике 26 § 4. Динамика вращения. Понятие абсолютно твердого тела. Поступательное и вращательное движение. Плоское движение. Момент силы и момент импульса абсолютно твердого тела относительно оси вращения. Основное уравнение динамики вращательного движения. Момент инерции материальной точки и твердого тела. Расчет моментов инерции твердых тел. Моменты инерции некоторых тел. Параметры, определяющие момент инерции. Теорема Штейнера. Закон сохранения момента импульса твердого тела. Работа силы при вращении тела. Кинетическая энергия твердого тела. Полярные и аксиальные векторы 30 § 5. Колебания и волны. Дифференциальное уравнение гармонических колебаний и его решение. Амплитуда, период, частота, циклическая частота и фаза колебаний. Энергия гармонических колебаний. Затухающие гармонические колебания. Дифференциальное уравнение затухающих колебаний и его решение. Амплитуда и частота затухающих колебаний. Коэффициент затухания и логарифмический декремент затухания. Докритическое, закритическое и критическое затухание. Вынужденные колебания. Дифференциальное уравнение вынужденных колебаний и его решение. Амплитуда вынужденных колебаний. Резонанс. Амплитудная и частотная модуляция. Понятие волны. Продольные и поперечные волны. Уравнение бегущей волны. Длина волны. Волновое число. Волновое уравнение 35 § 6. Релятивистская механика. Постулаты Эйнштейна. Преобразование интервалов времени и длины. Релятивистское сложение скоростей. Релятивистские импульс и масса. Второй закон Ньютона. Связь между массой и энергией. Принцип соответствия. Фотоэффект. Опыт Милликена. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта. Красная граница фотоэффекта. Энергия, импульс и масса фотона 46 § 7. Квантовая механика. Гипотеза де Бройля. Дифракция электронов. Опыт Дэвиссона и Джермера. Проблема измерений в микромире. Соотношения неопределенностей Гейзенберга импульс – координата и энергия – время. Классическое и квантовое представление об абсолютном нуле температур. Туннельный эффект. Сканирующий туннельный микроскоп. Стационарное уравнение Шрёдингера. Волновая функция и ее свойства. Частица в одномерной прямоугольной потенциальной яме с бесконечно высокими стенками – собственные функции и собственные значения энергии 55 Часть 2. Термодинамика и молекулярная физика 65 § 8. Термодинамика идеального газа. Понятие уравнения состояния. Идеальный газ. Уравнение состояния идеального газа. Первое начало термодинамики. Функции состояния и функции процесса. Работа в термодинамике. Работа расширения идеального газа при изопроцессах. Теорема о распределении энергии по степеням свободы молекулы. Внутренняя энергия идеального газа. Теплоемкости идеального газа. Уравнение Майера. Адиабатический процесс 65 § 9. Энтропия. Второе начало термодинамики. Понятие микро- и макросостояния системы. Статистический вес и наиболее вероятные состояния. Статистический смысл энтропии. Формула Больцмана. Статистическая природа второго начала термодинамики и необратимости макроскопических процессов. Флуктуации. Термодинамическое определение энтропии. Энтропия идеального газа. Третье начало термодинамики. Первое начало термодинамики для систем с переменным числом частиц. Химический потенциал. Условия равновесия термодинамических систем 73 § 10. Статистические распределения. Фазовое пространство. Минимальный объем ячейки в фазовом пространстве. Принцип тождественности частиц. Фермионы и бозоны. Функции распределения Ферми – Дирака и Бозе – Эйнштейна. Переход к классическому распределению. Функция распределения Максвелла – Больцмана. Числа заполнения. Число частиц и внутренняя энергия идеального газа. Закон дисперсии 78 § 11. Статистика Максвелла – Больцмана. Функция распределения Максвелла – Больцмана для идеального газа. Подсчет количества частиц классического идеального газа. Эргодическая гипотеза. Функция распределения Максвелла и ее физический смысл. Условие нормировки. Графическое представление распределения Максвелла. Наиболее вероятная, средняя арифметическая и среднеквадратичная скорости теплового движения молекул. Определение температуры. Распределение молекул по относительным скоростям. Распределение Больцмана. Распределение молекул идеального газа по высоте в поле силы тяжести. Барометрическая формула 83 § 12. Статистика Ферми – Дирака. Электронный газ в металле. Число частиц и внутренняя энергия идеального электронного газа. Уровень Ферми. Распределение Ферми – Дирака при нулевой температуре. Вырождение электронного газа. Проблема электронной теплоемкости. Работа выхода. Термоэлектронная эмиссия 90 § 13. Статистика Бозе – Эйнштейна. Число частиц и энергия в системе бозонов. Объемная и спектральная плотность энергии фотонного газа. Формула Планка. Тепловое излучение. Лучеиспускательная способность. Равновесность теплового излучения. Абсолютно черное тело. Энергетическая светимость и закон Стефана – Больцмана. Закон смещения Вина. Оптическая пирометрия 97 § 14. Физическая кинетика и явления переноса. Кинетические явления и явления переноса. Стационарные уравнения диффузии (закон Фика), теплопроводности (закон Фурье), вязкости (формула Ньютона), электропроводности (закон Ома). Механизмы теплопередачи. Нестационарные процессы и время выравнивания. Эффективный диаметр молекулы, длина свободного пробега и число столкновений. Коэффициенты диффузии, теплопроводности и вязкости идеального газа 104 Часть 3. Электричество и магнетизм 113 § 15. Электрическое поле. Кулоновская сила. Электрический заряд и его свойства. Закон сохранения заряда. Квантование электрического заряда. Напряженность электрического поля. Поле точечного заряда и принцип суперпозиции. Диполь. Поле диполя. Дипольный момент. Расчет поля заряженной нити. Теорема Гаусса. Расчет поля заряженной сферы по теореме Гаусса. Расчет поля бесконечно протяженной заряженной плоскости по теореме Гаусса. Понятие однородного поля. Поле двух заряженных параллельных плоскостей 113 § 16. Электрический потенциал. Работа сил электростатического поля. Потенциал. Потенциал поля точечного заряда. Связь между потенциалом и напряжённостью электрического поля. Связь между разностью потенциалов и напряжённостью однородного электрического поля. Работа вдоль замкнутого контура и циркуляция вектора напряжённости электрического поля. Основные уравнения электростатики для вакуума. Электростатический анализатор энергий 123 § 17. Диэлектрики в электрическом поле. Понятие диэлектрика в электростатике. Полярные и неполярные диэлектрики. Электрическое поле в диэлектрике. Относительная диэлектрическая проницаемость. Поляризованность и ее связь с напряженностью поля. Сегнетоэлектрики. Прямой и обратный пьезоэффект. Межмолекулярное взаимодействие. Потенциал Леннард – Джонса. Основные уравнения электростатики 130 § 18. Проводники в электростатическом поле. Понятие проводника в электростатике. Электрическое поле внутри проводника. Электрическое поле у поверхности заряженного проводника. Связь между зарядом и разностью потенциалов в системе из двух проводников. Электрическая емкость. Конденсаторы. Емкость плоского конденсатора. Энергия конденсатора. Плотность энергии электрического поля. Последовательное и параллельное соединение конденсаторов. Емкость уединенного проводника 139 § 19. Постоянный ток. Электрический ток. Условия возникновения электрического тока. Напряжение и разность потенциалов при наличии сторонних сил. Электродвижущая сила (ЭДС). Закон Ома для замкнутой цепи, содержащей ЭДС. Мощность тока. Природа электрического сопротивления. Закон Джоуля – Ленца. Термоэлектронная эмиссия. Согласование сопротивлений. Последовательное и параллельное соединение резисторов 145 § 20. Магнитное поле. Проявления действия магнитного поля. Источники магнитного поля. Вектор индукции магнитного поля. Принцип суперпозиции. Закон Био – Савара – Лапласа. Смысл электрической и магнитной постоянной. Индукция магнитного поля на оси кругового витка с током. Правило буравчика. Закон полного тока. Индукция магнитного поля бесконечно длинного проводника с током. Отсутствие магнитных зарядов. Индукция магнитного поля бесконечно длинного соленоида. Система уравнений магнитостатики для вакуума 151 § 21. Магнитные силы. Сила Ампера. Взаимодействие прямолинейных проводников с током. Сила Лоренца. Траектория частицы, движущейся под действием силы Лоренца. Масс-спектрометр. Магнитное поле движущегося заряда. Соотношение между магнитной и электрической силой. Магнитный поток. Работа по перемещению проводника с током в магнитном поле 160 § 22. Магнитные моменты. Контур с током в магнитном поле. Магнитный момент. Работа вращения контура с током в магнитном поле. Магнитные моменты атомов. Классификация веществ по магнитным свойствам: диамагнетики и парамагнетики. Магнитная проницаемость. Ферромагнетики и их доменная структура. Кривая намагничивания ферромагнетика. Гистерезис. Остаточная намагниченность и коэрцитивная сила. Точка Кюри. Система уравнений магнитостатики. Магнитное поле между полюсами электромагнита 168 § 23. Электромагнитная индукция. Возникновение ЭДС при движении проводника в магнитном поле. Явление электромагнитной индукции. Закон Фарадея. Индукционный ток. Правило Ленца и его применение. Способы получения индукционной ЭДС. Генератор переменного тока. Причины использования переменного тока для передачи электроэнергии. Трансформатор 177 § 24. Самоиндукция. Магнитный поток в длинном соленоиде. Индуктивность. Индуктивность длинного соленоида. Явление самоиндукции. Выражение для ЭДС самоиндукции. Токи самоиндукции и нахождение их направления по правилу Ленца. Энергия катушки индуктивности. Плотность энергии магнитного поля. Ток разряда конденсатора через катушку индуктивности. Колебательный контур 184 § 25. Переменный ток. Переменный ток в резисторе. Действующее (эффективное) значение переменного тока и переменного напряжения. Емкостное и индуктивное сопротивление. Линейные элементы цепи. Импеданс последовательной цепи 189 § 26. Уравнения Максвелла. Ток смещения. Система уравнений Максвелла в интегральной форме. Оператор набла. Формула Остроградского – Гаусса. Формула Стокса. Система уравнений Максвелла в дифференциальной форме. Электромагнитная волна и ее свойства. Скорость электромагнитной волны. Показатель преломления. Шкала электромагнитных волн 195 Часть 4. Оптика 205 § 27. Геометрическая оптика. Законы геометрической оптики: прямолинейного распространения света, отражения и преломления света. Физический смысл абсолютного и относительного показателя преломления. Фазовая и групповая скорости волны. Принцип Ферма. Оптическая длина пути. Законы геометрической оптики как следствие принципа Ферма. Телескоп-рефлектор. Полное внутреннее отражение света. Световоды. 205 § 28. Интерференция. Световой вектор. Интенсивность света. Когерентность. Явление интерференции. Условия образования интерференционных максимумов и минимумов. Опыт Юнга. Интерференция в тонких пленках. Изменение фазы электромагнитной волны при отражении света от границы раздела сред. Просветление оптики 214 § 29. Дифракция. Явление дифракции. Принцип Гюйгенса – Френеля. Прохождение волны через щель и огибание волной препятствий. Дифракционная решетка в монохроматическом свете. Дифракционная решетка как спектральный аппарат. Дифракция рентгеновских лучей на кристаллической решётке. Формула Брэгга. Рентгенография 221 § 30. Поляризация света. Поляризация света. Естественный и поляризованный свет. Виды поляризации. Степень поляризации. Закон Малюса. Поляризация света при отражении и преломлении на границе раздела изотропных диэлектриков. Закон Брюстера 227 § 31. Дисперсия света. Дисперсия света. Элементарная электронная теория дисперсии. Экспериментальное наблюдение дисперсии света. Рассеяние света 231 § 32. Квантовая оптика. Явления квантовой оптики. Эффект Комптона. Поглощение света. Закон Бугера. Оптическая плотность. Давление света 236 Часть 5. Атомы и атомные ядра 242 § 33. Энергия электрона в атоме водорода. Потенциальная энергия электрона в атоме водорода. Атом водорода как потенциальная яма. Уравнение Шрёдингера для атома водорода. Сферические координаты. Разделение переменных. Энергия электрона в атоме водорода. Главное квантовое число. Дискретность электронной энергетической структуры атомов. Энергия ионизации атома 242 § 34. Атомная спектроскопия. Спектр излучения атома водорода. Формула Бальмера. Серии в спектре излучения атома водорода. Атомно-эмиссионная спектроскопия. Спектр поглощения атома водорода. Атомно-абсорбционная спектроскопия 247 § 35. Атомные волновые функции. Радиальные волновые функции электрона в атоме водорода. Радиальное распределение электронной плотности в атоме водорода, находящемся в основном состоянии. Физический смысл боровского радиуса. Азимутальные волновые функции. Полярные волновые функции. Орбитальное и магнитное квантовые числа. Квантование момента импульса и проекции момента импульса. Электронные состояния. Вырождение электронных состояний. Эффект Зеемана. Полная волновая функция электрона в атоме водорода. Распределение электронной плотности в s, p и d-состояниях атома водорода 251 § 36. Химические элементы. Тонкая структура спектральных линий. Спин. Спин-орбитальное взаимодействие. Магнитное спиновое квантовое число. Принцип Паули. Заполнение электронных оболочек в атоме. Периодическая система элементов. Правила отбора 261 § 37. Химический анализ. Тормозное и характеристическое рентгеновское излучение. Закон Мозли. Эффект Оже и оже-спектроскопия. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия. Колебательные и вращательные электронные энергетические уровни молекулы. Молекулярные спектры. ИК-спектроскопия 266 § 38. Атомное ядро. Размеры и состав ядра. Массовое и зарядовое число. Изотопы. Ядерные силы. Дефект массы. Энергия связи ядра. Деление ядер. Термоядерный синтез. Радиоактивность. Виды радиоактивного распада. Закон радиоактивного распада. Период полураспада. Радиоуглеродный анализ. Ядерный магнитный резонанс (ЯМР). Магнитно-резонансная томография (МРТ) 276 Часть 6. Квантовые электронные свойства твердых тел 283 § 39. Классическая электронная теория. Основные положения классической электронной теории. Понятие подвижности. Подвижность в рамках модели Друде. Закон Ома в дифференциальной форме. Сопоставление дрейфовой и тепловой скорости электронов. Общее выражение для удельной проводимости. Проблемы классической электронной теории. Эффект Холла. Экспериментальные методы определения подвижности 283 § 40. Электронная энергетическая структура твердых тел. Образование электронных энергетических зон в твердых телах. Металлы и диэлектрики. Полупроводники. Кривая Вильсона 291 § 41. Туннелирование в кристаллической решетке. Туннелирование электронов в периодической решетке. Делокализованные и локализованные электроны. Зонная и прыжковая проводимость. Переход Андерсона. Природа электрического сопротивления 295 § 42. Собственные полупроводники. Понятие собственного полупроводника. Электроны проводимости и дырки. Общее выражение для удельной проводимости. Концентрации электронов проводимости и дырок. Эффективная масса. Положение уровня Ферми в собственном полупроводнике. Температурная зависимость подвижности. Температурная зависимость проводимости собственного полупроводника. Терморезисторы. Экспериментальные методы определения ширины запрещенной зоны. Циклотронный резонанс. Фотопроводимость. Фоторезисторы. Процесс ксерокопирования 299 § 43. Примесные полупроводники. Примесные полупроводники. Донорная и акцепторная примесь. Полупроводники p-типа и n-типа. Компенсация. Концентрация электронов проводимости и дырок. Положение уровня Ферми в примесном полупроводнике. Экспериментальное определение энергии ионизации примесей. Химические сенсоры 309 § 44. P-n-переход. Контакт полупроводников p- и n-типа. Выравнивание уровня Ферми. Зонная диаграмма p-n-перехода. Природа тока в p-n-переходе. Вольтамперная характеристика p-n-перехода. Полупроводниковый диод как выпрямитель. Фотодиоды и солнечные батареи. Рекомбинация. Светодиоды. Туннельный диод. Биполярный транзистор 314 § 45. МДП-структуры. Связь концентрации электронов проводимости с концентрацией дырок. Рекомбинация. МДП-структуры. Явления обеднения и инверсии. МОП-транзисторы с индуцированным каналом и со встроенным каналом. КМОП-логика. КМОП-инвертор. Глубокое обеднение. Приборы с зарядовой связью. ПЗС-матрица и цифровой фотоаппарат 327 § 46. Интегральные микросхемы. Выращивание полупроводниковых монокристаллов. Планарно-эпитаксиальная технология. Пределы миниатюризации микроэлектронных приборов 335 § 47. Излучение и лазеры. Двухуровневая система в тепловом равновесии. Поглощение, спонтанное и вынужденное излучение. Скорости электронных переходов. Коэффициенты Эйнштейна. Двухуровневая система в поле внешнего излучения. Трёхуровневая система. Накачка. Инверсная заселенность уровней. Физические основы работы лазера. Отличительные черты лазерного излучения. Примеры лазеров 339 § 48. Сверхпроводимость. Явление сверхпроводимости. Куперовские пары. Изотопический эффект. Энергетическая щель. Бозе-конденсация. Сверхтекучесть. Понятие коллективных явлений. Квантование магнитного потока. Эффекты Джозефсона. СКВИД. Эффект Мейснера. Высокотемпературные сверхпроводники 347 Заключение 353 Литература 353 Некоторые единицы измерения СИ 355 Кратные и дольные приставки 355 Физические постоянные (округленные значения) 356

Комментарии

Также советуем посмотреть