Конспект лекций по физике для довузовской подготовки москва -2014

часть
. 
Установ
-
лено
, 
что
ядро
состоит
из
протонов
и
нейтронов
, 
имеющих
общее
на
-
звание
– 
нуклоны
. 
Протон
обладает
положительным
элементарным
зарядом
(
е
=+1,6

10
-19
Кл
), 
его
масса
составляет
1836 m
е
масс
электрона
(m
е
=9,1

10
-31
кг
). 
Нейтрон
электрически
нейтрален
(
отсюда
его
назва
-
ние
), 
его
масса
несколько
больше
массы
протона
и
равна
1838,5 m
е
. 
Общее
число
нуклонов
в
ядре
соответствует
массовому
числу
А
эле
-
мента
в
таблице
Менделеева
. 
Порядковый
номер
элемента
Z 
равен
числу
протонов
в
ядре
. 
Тогда
число
нейтронов
легко
подсчитать
как
N=A–Z. 
Ядра
атомов
, 
содержащие
одинаковое
число
протонов
, 
но
различное
число
нейтронов
, 
называются
изотопами
. 
Нуклоны
в
ядре
связаны
друг
с
другом
ядерными
силами
, 
и
для
того
, 
чтобы
разделить
ядро
на
составляющие
его
нуклоны
, 
необ
-
ходимо
совершить
работу
, 
равную
энергии
связи
нуклонов
в
ядре
. 
Из
этого
следует
, 
что
сумма
масс
покоя
нуклонов
, 
входящих
в
состав
ядра
больше
, 
чем
масса
самого
ядра
на
величину
, 
которую
называют
дефектом
массы
: 
Zm
p
+ (A–Z) m
n
– M
я
= 

m, 
(11.13) 
где
m
p
– 
масса
протона
; m
n
– 
масса
нейтрона
, M
я
– 
масса
ядра
, 

m – 
дефект
массы
. 
При
этом
энергия
связи

W = 

m

c
2
= c
2
[Zm
p
+(A–Z) m
n
– M
я
].
(11.14) 
 
Энергию
 
связи
можно
определить
как
наименьшую
 
энергию
, 
которую
 
необходимо
 
затратить
 
для
 
разделения
 
ядра
 
на
 
отдельные
 
нуклоны
.
Энергия
связи
, 
приходящаяся
на
один
нуклон
, 
называется
удельной
 
энергией
 
связи
: 

Конспект
лекций
154 

= 
A
Δ
W
. 
(11.15) 
Зависимость
удельной
энергии
связи
от
массового
числа
представлена
на
рис
. 11.6. 
Значение
удель
-
ной
энергии
связи
в
средней
части
перио
-
дической
таблицы
(40

А

120) 
имеет
поч
-
ти
постоянное
значение

8,6
МэВ
/
нуклон
, 
максимальная
величина
8,7 
МэВ
у
элементов
с
А
=50

60. 
Для
тяжелых
и
легких
элементов
удельная
энергия
связи
уменьшается
. 
Отсюда
возникают
две
возмож
-
ности
выделения
ядер
-
ной
энергии
: 
1. 
Синтез
легких
ядер
. 
Может
быть
осуществлен
в
будущем
, 
например
, 
на
установках
типа
«
ТОКАМАК
» (
тороидальные
камеры
с
магнитными
катушками
). 
2. 
Деление
тяжелых
ядер
. 
Проводится
в
ядерных
реакторах
, 
составляющих
основу
сегодняшней
ядерной
энергетики
. 
При
всех
превращениях
атомных
ядер
выполняется
ряд
зако
-
нов
сохранения
, 
а
именно
– 
закон
сохранения
массы
(
или
энергии
) 
– 
закон
сохранения
электрического
заряда
– 
закон
сохранения
импульса
– 
закон
сохранения
спина
(
вне
школьной
программы
). 
В
общем
виде
, 
с
учетом
сказанного
, 
ядерную
реакцию
можно
записать
таким
образом

, 
МэВ
/
нуклон
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
50 100 150 200 250 
А
Рис
. 11.6 
 
 
 

В
.
А
. 
Никитенко
, 
А
.
П
. 
Прунцев
155
X
X
X
X
4
4
3
3
2
2
1
1
A
Z
A
Z
A
Z
A
Z



при
этом
А
1
+
А
2
=
А
3
+
А
4 
Z
1
+Z
2
=Z
3
+Z
4
. 
В
качестве
примера
реакции
деления
ядер
можно
привести
ре
-
акцию
деления
ядер
урана
n
2
Rb
Cs
n
U
1
0
94
37
140
55
1
0
235
92




; 
Pu
e
Np
Np;
e
U
239
94
0
1
239
93
239
93
0
1
239
92






. 
При
этом
освобождается
значительная
энергия
.
Синтез
более
тяжелых
ядер
из
более
легких
также
приводит
к
высвобождению
энергии
. 
Например
, 
n
He
H
H
1
0
4
2
2
1
3
1



, 
при
этом
высвобождается
энергия
17,5 
МэВ
. 
Или
n
He
2
H
Li
1
0
4
2
2
1
7
3




, 
при
этом
выделяется
энергия
15,1 
МэВ
. 
Радиоактивность
Процесс
самопроизвольного
превращения
ядер
одного
веще
-
ства
в
ядра
другого
вещества
называется
радиоактивностью
. 
Разли
-
чают
естественную
и
искусственную
радиоактивность
. 
Процесс
распада
ядер
является
статистическим
процессом
, 
подчиняющимся
следующему
закону
N = N
0
e
-

t
(11.16) 
где
N
0
– 
число
нераспавшихся
ядер
в
начальный
момент
времени
t=0; N 
– 
число
нераспавшихся
ядер
к
моменту
времени
t; 

– 
постоянная
распа
-
да
. 
Время
, 
в
течение
которого
распадается
половина
ядер
, 
участ
-
вующих
в
реакции
распада
, 
называют
периодом
полураспада
Т
= 

2
ln
(11.17) 

Конспект
лекций
156 
В
качестве
примера
радиоактивного
распада
можно
записать
реакцию

-
распада
, 
в
результате
которой
рождается
ядро
гелия
He
4
2
(

– 
частица
): 
He
Y
X
4
2
4
A
2
Z
A
Z




. 
11.4. 
Глоссарий
Бора
постулаты
– 
в
атоме
существуют
стационарные
состоя
-
ния
, 
характеризующиеся
определенными
значениями
энергий
, 
находясь
в
которых
атом
не
излучает
и
не
поглощает
энергии
. 
– 
при
переходе
из
одного
стационарного
со
-
стояния
с
энергией
Е
n
в
другое
стационар
-
ное
состояние
с
энергией
Е
m
атом
излучает
или
поглощает
квант
электромагнитной
энергии
, 
равный
разности
энергий
стацио
-
нарных
состояний
h

=

Е
n
– 
Е
m

. 
Дефект
массы
– 
разность
масс
покоя
составляющих
ядро
атома
изолированных
нуклонов
и
массы
яд
-
ра
. 
Красная
граница
фотоэффекта
– 
наименьшая
частота
(
наибольшая
длина
вол
-
ны
), 
при
которой
еще
возможен
фотоэффект
. 
Нуклоны
– 
частицы
(
протоны
и
нейтроны
), 
из
которых
состоят
ядра
атомов
. 
Период
полураспада
– 
время
, 
в
течение
которого
распадается
по
-
ловина
радиоактивных
ядер
. 
Радиоактивность
– 
процесс
(
естественный
или
искусственный
) 
самопроизвольного
превращения
ядер
одно
-
го
элемента
в
ядра
другого
элемента
. 
Столетова
закон
– 
фототок
пропорционален
падающему
на
вещество
световому
потоку
. 
Удельная
энергия
связи
– 
энергия
связи
, 
приходящаяся
на
один
ну
-
клон
. 

В
.
А
. 
Никитенко
, 
А
.
П
. 
Прунцев
157
Фотон
– 
элементарная
частица
с
нулевой
массой
по
-
коя
, 
представляющая
собой
квант
электро
-
магнитного
излучения
. 
Фотоэлектрический
эффект
(
внешний
) 
– 
явление
вырывания
электронов
с
поверхно
-
сти
вещества
под
действием
света
. 
Эйнштейна
уравнение
– 
соотношение
, 
устанавливающее
связь
между
энергией
фотонов
, 
падающих
на
конденсиро
-
ванную
среду
, 
работой
выхода
электронов
из
нее
и
кинетической
энергией
фотоэлектронов
. 
Энергия
связи
– 
минимальная
энергия
, 
которую
необходимо
затратить
для
разделения
ядра
атома
на
со
-
ставляющие
его
нуклоны
. 
Ядро
атома
– 
центральная
массивная
часть
атома
, 
состоя
-
щая
из
нуклонов
(
протонов
и
нейтронов
). 
Основные
 
вопросы
 
для
 
повторения
 
1. 
Опишите
модели
атома
Томсона
и
Резерфорда
. 
2. 
Сформулируйте
постулаты
Бора
. 
Получите
выражение
для
энергий
стационарных
состояний
атома
водорода
и
радиусов
орбит
элек
-
тронов
, 
соответствующих
этим
состояниям
. 
3. 
Запишите
формулу
для
расчета
частот
электромагнитного
излуче
-
ния
атома
водорода
. 
4. 
В
чем
заключается
явление
внешнего
фотоэлектрического
эффек
-
та
? 
Изобразите
вольт
-
амперные
характеристики
фотоэлемента
для
различных
частот
электромагнитного
излучения
и
различных
све
-
товых
потоков
. 
5. 
Что
такое
напряжение
запирания
фотоэлемента
? 
6. 
Сформулируйте
закон
Столетова
и
объясните
его
с
квантовой
точ
-
ки
зрения
. 
7. 
Запишите
уравнение
Эйнштейна
для
фотоэффекта
. 
8. 
Что
называют
красной
границей
фотоэффекта
? 
9. 
Из
каких
частиц
состоит
ядро
атома
? 
Как
рассчитать
число
нукло
-
нов
, 
протонов
и
нейтронов
в
ядре
? 

Конспект
лекций
158 
10. 
Напишите
выражение
для
дефекта
массы
ядра
. 
Сформулируйте
понятие
энергии
связи
нуклонов
в
ядре
. 
11. 
Какие
существуют
возможности
выделения
ядерной
энергии
? 
12. 
Запишите
закон
радиоактивного
распада
ядер
. 
13. 
Какие
законы
выполняются
при
протекании
ядерных
реакций
? 
14. 
Что
такое
период
полураспада
? 
Литература
 
1. 
Шахмаев
Н
.
М
., 
Шахмаев
С
.
Н
., 
Шодиев
Д
.
Ш
. 
Физика
: 
Учебник
для
9-11 
классов
. – 
М
.: 
Просвещение
, 1991-1998. 
2. 
Кикоин
И
.
К
., 
Кикоин
А
.
К
. 
Физика
: 
Учебник
для
9-11 
классов
средней
школы
. – 
М
.: 
Просвещение
, 1990-1998. 
3. 
Денисов
Ф
.
П
., 
Ильин
С
.
И
., 
Никитенко
В
.
А
., 
Прунцев
А
.
П
. 
Теория
и
решение
задач
по
физике
. – 
М
.: 
МИИТ
, 1993. 
4. 
Гурский
И
.
П
. 
Элементарная
физика
с
примерами
решения
задач
. – 
М
.: 
Наука
, 1989-1998. 
5. 
Саенко
П
.
Г
. 
Физика
: 
Учебник
для
средней
школы
. – 
М
.: 
Просве
-
щение
, 1990-1998. 
6. 
Кабардин
О
.
Ф
. 
Физика
. 
Справочные
материалы
. – 
М
.: 
Просвеще
-
ние
, 1991. 
7. 
Элементарный
учебник
физики
/ 
Под
редакцией
академика
Ланд
-
сберга
Г
.
С
. – 
М
.: 
Наука
, 1993-1997. 
8. 
Роуэлл
Г
., 
Герберт
С
. 
Физика
. – 
М
.: 
Просвещение
, 1994. 
9. 
Джанколли
Д
. 
Физика
. 
Т
. 1, 2. – 
М
.: 
Мир
, 1989. 
10. 
Уокер
Д
. 
Физический
фейерверк
. – 
М
.: 
Мир
, 1989. 
11. 
Никитенко
В
.
А
., 
Прунцев
А
.
П
. 
Концепции
современного
естест
-
вознания
. – 
М
.: 
МИИТ
, 1997. 
12. 
Бесчетнов
В
.
М
. 
Физика
. 
Курс
лекций
для
учащихся
7-11 
классов
. 
Т
. 1, 2. – 
М
.: 
Демиург
, 1995-1996. 
13. 
Павленко
Ю
.
Г
. 
Начала
физики
. – 
М
.: 
МГУ
. 1988. 
14. 
Физический
энциклопедический
словарь
/ 
Под
редакцией
акаде
-
мика
Прохорова
А
.
М
. – 
М
.: 
Советская
энциклопедия
, 1984. 
15. 
Физическая
энциклопедия
/ 
Под
редакцией
академика
Прохорова
А
.
М
. – 
Т
. 1-5. – 
М
.: 
Советская
энциклопедия
, 1988-1998. 

В
.
А
. 
Никитенко
, 
А
.
П
. 
Прунцев
159
16. 
Храмов
Ю
.
А
. 
Физики
. 
Биографический
справочник
. – 
М
.: 
Наука
, 
1983. 
17. 
Кокин
С
.
М
., 
Селезнев
В
.
А
. 
Физика
на
железнодорожном
транс
-
порте
. – 
М
.: 
МИИТ
, 1995. 

Лекция__№__10'>Лекция__№__9_............................................................................................120'>Лекция__№__7_..............................................................................................95'>Лекция__№__6'>Лекция__№__4'>Лекция__№__3_..............................................................................................._35'>Лекция__№__2_..............................................................................................._22'>Лекция'>СОДЕРЖАНИЕ
 
Предисловие
............................................................................................... 3 
Лекция
 
№
 1
............................................................................................... 4 
1.1. 
Введение
......................................................................................... 4 
1.2. 
Система
отсчёта
. 
Язык
кинематики
............................................. 5 
1.3. 
Виды
движения
.............................................................................. 9 
1.3.1. 
Общие
замечания
.................................................................. 9 
1.3.2. 
Равномерное
движение
......................................................... 10 
1.3.3. 
Равнопеременное
движение
................................................. 12 
1.3.4. 
Графики
движения
................................................................ 14 
1.4. 
Кинематика
в
примерах
................................................................ 15 
1.5. 
Глоссарий
....................................................................................... 19 
Лекция
 
№
 2
............................................................................................... 22
 
2.1. 
Динамика
. 
Общие
замечания
........................................................ 22 
2.2. 
Законы
Ньютона
............................................................................ 22 
2.3. 
Закон
всемирного
тяготения
. 
Сила
тяжести
............................... 26 
2.4. 
Силы
упругости
. 
Закон
Гука
........................................................ 27 
2.5. 
Сила
трения
.................................................................................... 28 
2.6. 
Движение
тела
по
окружности
..................................................... 29 
2.7. 
Вес
тела
и
невесомость
................................................................. 30 
2.8. 
Глоссарий
....................................................................................... 33 
Лекция
 
№
 3
............................................................................................... 35
 
3.1. 
Законы
сохранения
. 
Общие
замечания
........................................ 35 
3.2. 
Закон
сохранения
импульса
.......................................................... 35 
3.3. 
Механическая
работа
. 
Мощность
................................................ 38 
3.4. 
Энергия
. 
Закон
сохранения
механической
энергии
................... 40 
3.5. 
Глоссарий
....................................................................................... 44 
Лекция
 
№
 4
............................................................................................... 46 
4.1. 
Статика
. 
Общие
замечания
........................................................... 46 
4.2. 
Равновесие
тела
в
отсутствие
вращения
..................................... 46 
4.3. 
Момент
силы
. 
Условие
равновесия
тела
, 
имеющего
ось
вращения
.................................................................................................... 47 
4.4. 
Гидро
- 
и
аэромеханика
.................................................................. 51 
4.4.1. 
Давление
................................................................................. 51 
4.4.2. 
Закон
Паскаля
........................................................................ 52 
4.4.3. 
Закон
Архимеда
..................................................................... 54 
4.4.4. 
Закон
Бернулли
...................................................................... 56 

4.5. 
Глоссарий
....................................................................................... 57 
 
Лекция
 
№
 5
............................................................................................. 59
 
5.1. 
Молекулярная
физика
................................................................. 59 
5.1.1. 
Основные
положения
молекулярно
-
кинетической
теории
................................................................................... 59 
5.1.2. 
Агрегатные
состояния
вещества
........................................ 60 
5.1.3. 
Температура
......................................................................... 62 
5.1.4. 
Молекулярно
-
кинетическая
теория
идеальных
газов
...... 63 
5.2. 
Тепловые
явления
........................................................................ 67 
5.2.1. 
Внутренняя
энергия
системы
. 
Первое
начало
термодинамики
.................................................................... 67 
5.2.2. 
Теплоемкость
. 
Изменение
агрегатных
состояний
вещества
............................................................................... 69 
5.2.3. 
Тепловая
машина
................................................................. 71 
5.2.4. 
Температурные
коэффициенты
линейного
и
объемного
расширения
.......................................................................... 71 
5.2.5. 
Насыщенные
и
ненасыщенные
пары
. 
Влажность
воздуха
.................................................................................. 72 
5.3. 
Поверхностное
натяжение
. 
Капиллярные
явления
.................. 73 
5.4. 
Молекулярная
физика
и
тепловые
явления
в
примерах
.......... 75 
5.5. 
Глоссарий
..................................................................................... 78 
Лекция
 
№
 6
............................................................................................. 81 
6.1. 
Основы
электродинамики
. 
Электростатика
. 
Общие
понятия
............................................................................ 81 
6.2. 
Закон
Кулона
. 
Напряженность
и
потенциал
электрического
поля
. 
Силовые
линии
...................................................................82 
6.3. 
Проводники
и
диэлектрики
в
электрическом
поле
...................88
 
6.4. 
Электрическая
емкость
. 
Конденсаторы
. 
Энергия
электрического
поля
.....................................................................89 
6.5. 
Глоссарий
......................................................................................92 
Лекция
 
№
 7
..............................................................................................95
 
7.1. 
Электрический
ток
. 
Электродвижущая
сила
. 
Напряжение
......95 
7.2. 
Закон
Ома
. 
Сопротивление
проводников
............................. 98
7.3. 
Соединение
проводников
и
источников
тока
..........................100 
7.4. 
Закон
Джоуля
-
Ленца
. 
Мощность
тока
......................................102 
7.5. 
Электрический
ток
в
растворах
и
расплавах
электролитов
.
Закон
электролиза
.......................................................................102 
7.6. 
Электродинамика
в
примерах
...................................................103 

7.7. 
Глоссарий
....................................................................................105 
 
Лекция
 
№
 8
............................................................................................107
 
8.1. 
Магнитное
поле
. 
Сила
Лоренца
. 
Магнитная
индукция
.
Сила
Ампера
...............................................................................107 
8.2. 
Магнитный
поток
. 
Электромагнитная
индукция
. 
Правило
Ленца
. 
Явление
самоиндукции
. 
Энергия
магнитного
поля
.
Электродвигатели
и
генераторы
тока
. 
Трансформатор
..........112 
8.3. 
Глоссарий
....................................................................................118 
Лекция
 
№
 9
............................................................................................120
 
9.1. 
Гармонические
колебания
. 
Маятники
и
колебательный
контур
. 
Затухающие
и
вынужденные
колебания
. 
Резонанс
...120 
9.2. 
Волны
...........................................................................................125 
9.3. 
Колебания
и
волны
в
примерах
.................................................128 
9.4. 
Глоссарий
....................................................................................130 
Лекция
 
№
 10
..........................................................................................132 
10.1. 
Геометрическая
оптика
............................................................132 
10.1.1. 
Скорость
света
. 
Законы
геометрической
оптики
..........132 
10.1.2. 
Собирающие
и
рассеивающие
линзы
.............................134 
10.2. 
Явления
интерференции
, 
дифракции
и
дисперсии
в
оптике
.....................................................................................139 
10.3. 
Элементы
теории
относительности
........................................140 
10.4. 
Глоссарий
..................................................................................142 
Лекция
 
№
 11
..........................................................................................145 
11.1. 
Элементы
квантовой
теории
. 
Строение
атома
.......................145 
11.2. 
Внешний
фотоэффект
..............................................................149 
11.3. 
Атомное
ядро
. 
Дефект
массы
. 
Энергия
связи
. 
Основы
ядерной
энергетики
. 
Радиоактивность
...................................153 
11.4
Глоссарий
..................................................................................156 
Литература
...............................................................................................158 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
В
.
А
. 
НИКИТЕНКО
 
А
.
П
. 
ПРУНЦЕВ
 
 
КОНСПЕКТ
 
ЛЕКЦИЙ
 
ПО
 
ФИЗИКЕ
 
для
 
довузовской
 
подготовки
 
 
Подписано
в
печать
10.04.02 
Тираж
500 
экз
. 
Формат
60
х
84/16. 
Усл
.
печ
.
л
. – 10,125 
Цена
договорная
Подписано
в
печать
30.10.13. 
Формат
60
х
84/16. 
Бумага
офсетная
. 
Гарнитура
Times. 
Заказ
№
1595.2. 
Тираж
500. 
КнигоГрад
— 
издательство
, 
типография
. 
426034, 
г
. 
Ижевск
, 
ул
. 
Коммунаров
, 244.