Физика в конспектах: различия между версиями

Содержимое удалено Содержимое добавлено
Отмена правки 43424 участника 87.156.191.10 (обсуждение) wtf
м робот косметические изменения
Строка 10:
Физика тесно связана с [[w:математика|математикой]]: та предоставляет набор понятий, которыми физические законы могут быть точно сформулированы. Физические [[w:теория|теории]] почти всегда формулируются математически, причём используются более сложные разделы математики, чем обычно в других науках. И наоборот, развитие многих областей математики стимулировалось потребностями физических теорий (см. [[w:математическая физика|математическая физика]]).
 
== Механика ==
'''[[w:Механика|Меха́ника]]''' (из греческого μηχανική, от μηχανή — «машина, прибор») — это раздел физики, изучающий [[w:механическое движение|механическое движение]] — движение тел в пространстве со временем и причины этого движения. Различают:[[w:Механика Ньютона|Механика Ньютона]] или нерелятивистская механика или классическая механика она изучает ''не слишком быстрое движение макроскопических тел'', т. е. скорости много меньше скорости света и тел, больших размера атома. [[w:Механика Эйнштейна|Механика Эйнштейна]] или релятивистская механика. Изучает частный случай, когда скорость движения тел становится соизмеримой со скоростью света.
 
=== Модели в Физике ===
'''[[w:Модель|Моде́ль]]''' — описание предмета, процесса или явления на каком-либо формализованном языке, составленное для изучения его свойств в случаях, когда исследование самого объекта затруднено или невозможно. Чаще всего в качестве модели выступает другой материальный или логически мыслимый объект, замещающий в исследовании объект-оригинал. Соответствие свойств модели исходному объекту характеризуется адекватностью. Процесс создания модели называется моделированием.
<!-- или так: "Таким образом, модель выступает как метод физики. Модель не стремится стать полной копией объекта. Она принимает на себя только основные его свойства, которые в дальнейшем будут полезны для исследования" "...полезны при моделировании" или нет больше такого абзатца, в принципе он мне кажется и не нужен. -->
Строка 19:
Объекты механики называются '''[[w:механическая система|механическими системами]]'''. Механическая система обладает определённым числом <math>k</math> '''[[w:степень свободы|степеней свободы]]''' и описывается с помощью обобщённых координат <math>q_1, ..., q_k</math>. '''Основная задача механики''' состоит в описании эволюции во времени механической системы исходя из начальных условий (обобщённых координат и импульсов), внешних и внутренних сил. '''Обратная задача механики''' подразумевает нахождение действующих на систему и внутри неё сил по её эволюции.
 
==== Понятие степени свободы ====
Подавляющее большинство физических систем может находиться не в одном, а во многих ''состояниях''. Такие состояния могут быть описаны как '''непрерывными''' (например, [[w:координаты тела|координаты тела]]), так и '''[[wikt:Дискретный|дискретными]]''' переменными (например, [[w:квантовые числа|квантовые числа]] [[w:электрон|электрона]] в [[w:атом|атоме]]). Независимые «направления»; переменные, характеризующие состояния системы, и называются степенями свободы. При математическом описании, <math>N</math> степеням свободы отвечают <math>N</math> независимых переменных, называемых '''обобщёнными координатами'''.
<!-- Это отступление, здесь и стиль другой. Я считаю нужно использовать несколько другоее форматирование. Это есть примечание.-->
{{Info|Так например самая простая механическая система это материальная точка. В пространстве она обладает только лишь тремя степенями свободы, так как её состояние ''полностью задано, если известны её три пространственных координаты''. Другой пример, — абсолютно твёрдое тело, — обладает уже шестью степенями свободы. Полное описание такой системы потребует от нас задания трех пространственных координат центра масс и три угла, описывающих направление тела.}}
 
==== Классификация моделей ====
* статические
* динамические
Строка 46:
 
==== Операции над векторами ====
===== Сложение векторов =====
Сложение двух векторов происходит по правилу параллелограмма (треугольника). Пусть вектор <math>\vec a = \vec {AB}</math> и <math>\vec b = \vec {BC}</math>. Тогда <math>\vec c = \vec {AC}</math> называют суммой векторов:
 
<center><math>\vec c=\vec {AC} = \vec {AB}+\vec {BC}=\vec a+\vec b,</math></center>
 
===== Умножение вектора на число =====
Пусть дан не нулевой вектор <math>\vec a</math> и действительное не равное нулю число <math>\ n</math>. Произведением <math>n \cdot \vec a</math> называют такой вектор <math>\overline b</math>, что
#''модуль вектора'' <math>|\vec b| =n \;|\vec a|</math>, если <math>\ n>0</math> и <math>|\vec b| = - n \;|\vec a|</math>, если <math>\ n<0</math>
Строка 57:
#вектора <math>\vec a \uparrow\uparrow \vec b</math> сонаправлены, если <math>\ n>0</math> и противоположно направлены <math>\vec a \uparrow\downarrow \vec b</math>, если <math>\ n<0</math>.
 
===== Скалярное произведение =====
Скалярным произведением <math>(\vec a,\vec b)</math> или <math>\vec a\cdot\vec b</math> ''ненулевых'' векторов <math>\vec a</math> и <math>\vec b</math> называют ''число'', равное <math>|\vec a||\vec b| \cos \varphi</math>, где <math>\varphi</math> - угол между векторами <math>\vec a</math> и <math>\vec b</math>. Если модуль хотя бы одного вектора в скалярном произведении равен нулю, все произведение равно нулю.
 
Строка 76:
</math></center>
 
Скалярное произведение векторов '''a''' и '''b''' <big>не является(!!!)</big> площадью параллелограмма построенного на данных векторах. [[ИзображениеФайл:Scalyar.GIF]]
 
===== Векторное произведение =====
Векторным произведением двух ''ненулевых'' векторов <math>\vec a</math> и <math>\vec b</math> называется вектор <math>\vec c</math>, такой что '''модуль''' этого вектора равен прозведению модулей векторов на синус угла между ними:
 
Строка 88:
'''Направление''' вектора выбирается или по правилу правого винта или через ''правую'' тройку векторов.
 
===== Правило правого винта =====
{{Info|Вектор <math>\vec c</math> перпендикулярен плоскости, в которой лежат перемножаемые вектора, и ''направлен от нас'', если вращение от первого вектора ко второму по ''кратчайшему растоянию'' происходит по часовой стрелке, и ''направлен на нас'', если вращение происходит против часовой стрелки. Таким образом:
 
<center><math>[\vec a , \vec b] = -[\vec b , \vec a],</math></center>}}
 
===== Правая тройка векторов =====
{{Info|Три вектора называются упорядоченной тройкой (правой или левой), ''если указано'', какой из этих векторов является первым, какой - вторым, а какой - третьим. ''Тройка некомпланарных векторов'' <math>\vec a\vec b\vec c</math> называется правой (''левой''), если, будучи приведёнными к общему началу, эти векторы располагаются так, как могут быть расположены соответственно большой, несогнутый указательный и средний пальцы правой (''левой'') руки.}}
Если известны координаты векторов в ортогональной системе координат, то векторное произведение можно найти из '''определителя третьего порядка'''.
 
===== Определитель =====
Если два вектора <math>\vec a</math> и <math>\vec b</math> определены своими [[w:Прямоугольная система координат|прямоугольными координатами]]:
 
Строка 161:
<center><math>|\vec V| = \sqrt{V_x^2 + V_y^2 + V_z^2}</math></center>
 
==== Ускорение ====
;[[w:Ускорение|Ускорение]]: векторная физическая величина, равная отношению приращения скорости тела за ''некоторый промежуток времени'' к величине этого промежутка.
<center><math><\vec a> = {\vec v(t+\Delta{t}) - \vec{v}(t)\over \Delta{t}} = {\Delta\vec{v}\over\Delta{t}}</math></center>
Строка 173:
<center><math>|\vec a| = \sqrt{a_x^2 + a_y^2 + a_z^2}</math></center>
 
==== Преобразования Галилея ====
'''[[w:Преобразования Галилея|Преобразования Галилея]]''' - в [[w:Классическая механика|классической механике]] (механике [[w:Ньютон, Исаак|Ньютона]])это преобразования координат и времени при переходе от одной системы отсчета к другой.
 
Строка 259:
Теперь давайте найдем формулу для нормального ускорения, т.е. ускорения при движении по кругу.
 
=== Динамика ===
'''[[w:Динамика|Дина́мика]]''' (от греч. δύναμις «сила») — раздел [[w:механика|механики]], в котором изучаются причины '''возникновения''' [[w:механическое движение|механического движения]]. Динамика оперирует такими понятиями, как [[w:масса|масса]], [[w:сила|сила]], [[w:импульс|импульс]], [[w:энергия|энергия]].
 
Строка 268:
;[[w:энергия|Энергия]]:характеристика движения и взаимодействия тел, их способность совершать изменения во внешнем мире. Часто можно встретить упрощённое определение энергии как способности тела совершать [[w:Механическая работа|работу]]. Будучи удобным в [[w:классическая механика|класической механике]], такое определение, тем не менее, не вполне точно, так как не всегда всю энергию можно перевести в механическую работу (см. второе начало [[w:Термодинамика|термодинамики]]).
 
==== Масса ====
'''Под массой в динамике понимают два различных свойства вещества''':
* '''[[w:инертная масса|инертная масса]]''', которая ''характеризует меру инертности тел'' и участвует во втором законе Ньютона,
Строка 281:
* Масса замкнутой системы тел '''сохраняется''';
 
==== Энергия ====
 
Энергия в физике встречается в разных видах:
Строка 296:
** [[w:тёмная энергия|тёмная энергия]] в [[w:космология|космологии]]
 
==== Законы Ньютона ====
'''Первый закон Ньютона''' гласит, что в инерциальных системах отсчёта ''[[w:замкнутая система|замкнутая система]] продолжает оставаться в состоянии покоя или прямолинейного равномерного движения''. По сути, этот закон постулирует инертность тел и ограничевает область применения механики Ньютона инерциальными системами отсчёта. Это может казаться очевидным сейчас, но это не было очевидно на заре исследований природы. Так, например, [[w:Аристотель|Аристотель]] утверждал, что причиной всякого движения является [[сила]], т.&nbsp;е. у него не было движения по инерции.
 
Строка 309:
<center><math>\vec F_{21}= -\vec F_{12}</math></center>
 
===== Следствия =====
Из законов Ньютона сразу же следуют некоторые интересные выводы. Так, третий закон Ньютона говорит, что как бы тела ни взаимодействовали, они не могут изменить свой суммарный [[w:импульс|импульс]]: возникает '''[[w:закон сохранения импульса|закон сохранения импульса]]'''.
Далее, оказывается, что многие силы вокруг нас (в частности, поле сил гравитации) обладают свойством потенциальности: работа внешних сил по переносу тела из одной точки в другую не зависит от конкретного пути (на языке математики: ротор силового поля тождественно равен нулю). В этом случае силу (векторную величину) можно представить как [[w:градиент|градиент]] некоторой скалярной величины — '''потенциала'''. Для того, чтобы третий закон Ньютона автоматически выполнялся, надо потребовать, чтобы ''потенциал взаимодействия'' двух тел зависел ''только от модуля разности координат'' этих тел '''U(|r<sub>1</sub>-r<sub>2</sub>|)'''. Тогда возникает '''[[w:Закон сохранения механической энергии|закон сохранения суммарной механической энергии]]''' взаимодействующих тел:
Строка 315:
<center><math>{m_1 {v}_1^2 \over 2} + {m_2 {v}_2^2 \over 2} + U(|{r}_1 - {r}_2|) = const.</math></center>
 
===== Силы инерции =====
Законы Ньютона, строго говоря, справедливы только в [[w:инерциальная система отсчета|инерциальных системах отсчета]]. Если мы честно запишем уравнение движения тела в неинерциальной системе отсчета, то оно будет по виду отличаться от второго закона Ньютона. Однако часто, для упрощения рассмотрения, вводят некую фиктивную "силу инерции", и тогда эти уравнения движения переписываются в виде, очень похожем на второй закон Ньютона. Математически здесь все корректно, но с точки зрения физики новую фиктивную силу нельзя рассматривать как нечто реальное, как результат некоторого реального взаимодействия. Ещё раз подчеркнем: "сила инерции" —
это лишь удобная параметризация того, как отличаются законы движения в инерциальной и неинерциальной системах отсчета.
 
===== Комментарии ко второму закону Ньютона =====
Уравнение '''F''' = m'''a''' (т.е. второй закон Ньютона) является дифференциальным уравнением второго порядка, поскольку ускорение есть вторая производная от координаты по времени. Это значит, что эволюцию механической системы во времени можно однозначно определить, если задать её начальные координаты и начальные скорости. Заметим, что если бы уравнения, описывающие наш мир, были бы уравнениями первого порядка, то из нашего мира исчезли бы такие явления как инерция, колебания, волны.
 
=== Специальная теория относительности ===
'''Специа́льная тео́рия относи́тельности''' (СТО),
'''ча́стная тео́рия относи́тельности''' — теория, заменившая механику [[w:Ньютон|Ньютон]]а при описании движения тел со скоростями, близкими к [[w:скорость света|скорости света]]. При малых скоростях различия между результатами СТО и ньютоновской механикой становятся несущественными.
Строка 353:
Специальная теория относительности получила многочисленные подтверждения на опыте и является безусловно верной теорией в своей области применимости. Специальная теория относительности перестает работать в масштабах всей Вселенной, а также в случаях сильных полей тяготения, где её заменяет более общая теория — [[w:квантовая теория поля|общая теория относительности]]. Специальная теория относительности применима и в микромире, её синтезом с [[w:квантовая механика|квантовой механикой]] является [[w:квантовая теория поля|квантовая теория поля]].
 
== Молекулярная физика ==
=== Строение вещества ===
Вещество состоит из молекул, молекулы – из атомов. Слово «атом» переводится c греческого как «неделимый». Принято считать, что первым идею о том, что материя состоит из великого множества мельчайших и потому невидимых частиц, выдвинул древнегреческий философ [[w:Демокрит|Демокрит]] (V век до н. э.). О жизни Демокрита практически ничего неизвестно, и труды этого мыслителя не дошли до наших дней. Логика рассуждений Демокрита была крайне проста. «Представим, — говорил он, — что у нас есть самый острый в мире нож. Берем первый попавшийся под руку материальный объект и разрезаем его пополам, затем одну из получившихся половинок также разрезаем пополам, затем разрезаем пополам одну из получившихся четвертинок и так далее. Рано или поздно, — утверждал он (основываясь, как и все древнегреческие мыслители, прежде всего на философских соображениях), — мы получим частицу столь мелкую, что дальнейшему делению на две она не поддается. Это и будет неделимый атом материи.»
По представлениям Демокрита атомы были вечными, неизменными и неделимыми.
Строка 360:
Идея об атомном строении материи так и оставалась чисто философским умозаключением вплоть до начала XIX века, когда Академия наук в Париже признала эту идею теорией. К этому времени появились работы таких известных ученых, как [[w:Ломоносов|Ломоносов]], Авогадро, Перрен, Максвелл, Больцман и многих других. Идея атомизма прошла сложный путь развития, выдержала критику древнегреческого мыслителя Аристотеля, средневековой церкви, опровергла различные противоречивые гипотезы некоторых ученых XIX века, и вылилась в стройную теорию в первой половине XX века.
 
== Электродинамика ==
=== Электростатическое поле ===
 
В пространстве вокруг электрических зарядов возникает электро-статическое поле (заряды не подвижны).
Строка 367:
Пробный положительный точечный заряд должен быть таким, чтобы он не искажал картины иследуемого поля.
 
=== Постоянный электрический ток ===
=== Электрический ток в различных средах===
 
=== Магнитное поле ===
 
Движущиеся заряды в окружающем пространстве создают магнитное поле, которое является одной из форм существования материи. В отличие от электростатического поля, магнитное действует только на движущиеся заряды. Проводники с текущими по ним токами в окружающем пространстве создают магнитное поле. Принято различать макро- и микро-токи. Макротоки - это токи, текущие по проводникам. В любом веществе электроны движутся по круговым орбитам. Движение электронов в атоме по круговым орбитам тоже приводит к созданию магнитного поля. Токи, создаваемые в веществах движущимися электронами называют микротоками.
Строка 381:
Пара сил создаёт вращающий момент M. Опыт показывает, что вращ. момент зависит от некот. силовой хар-ки поля и от силы тока в рамке (M~B; |M|~|I|). Для всех рамок вводится хар-ка, связанная с размерами рамок и силой тока, текущей в них. Pm - магнитный момент. Pm=I•S [А•м2]. Магн. момент явл. вектором. Pm=n•I•S, где n - орт полож. нормали, т.е. Pm || n. Опыт показ., что M=[Pm , B] - механический вращ. момент равен векторному произведению магнитного момента рамки на вектор индукции магн. поля. M=Pm•B•sin (=Pm^B). Из этой ф-лы видно, что M=max, если =90° (положение I на рис.) Mmax=Pm•B(1). M=0 при =0 (полож II). Полож. II соответствует устойчивому равновесию рамки.
 
=== Электромагнитная индукция ===
Явление электромагнитной индукции обнаружено в 1831 г. Майклом Фарадеем. Оно выражает взаимосвязь электрических и магнитных явлений.
 
Строка 414:
Единица названа в честь [[w:США|американского]] [[w:учёный|учёного]] [[w:Генри, Джозеф|Джозефа Генри]].
 
=== Электромагнитные колебания ===
=== Переменный электрический ток===
'''Переме́нный ток''' — электрический ток, меняющийся во времени своё направление, обычно периодически.
Строка 428:
В устройствах-потребителях переменного тока переменный ток часто выпрямляется выпрямителями для получения постоянного тока.
 
=== Электромагнитные волны ===
 
== Оптика ==
=== Свет — электромагнитная волна ===
Что такое свет?
Странный вопрос, подумаете Вы, этот термин настолько очевиден, что дать точное определение становится очень сложно. Но давайте всё-таки попробуем это сделать.
Строка 448:
Если же обратиться к теории [[w:Максвелл, Джеймс|Джеймса Максвелла]], то убедимся, что скорость распространения электромагнитных волн совпадает со скоростью света. Откуда следует вывод, что '''свет – это электромагнитная волна'''.
 
=== Корпускулярные свойства света ===
==== Геометрическая оптика ====
 
=== Волновые свойства света ===
==== Дисперсия ====
'''''[[w:Дисперсия света |Дисперсия света]]''''' — разложение света в спектр, явление характеризующее зависимость показатель преломления вещества от длины волны.
 
Строка 459:
Свет от источника падает на узкое отверстие, при помощи линзы изображение щели получается на экране в виде узкого белого прямоугольника.
 
[[ИзображениеФайл:Image001.png]]<br />
Поместив на пути пучка света призму, Ньютон обнаружил, что
изображение щели сместится и превратится в окрашенную полоску (подобное явление мы наблюдаем в радуге). Это радужное изображение Ньютон условно разбил на 7 цветов.
Строка 471:
3. Белый свет есть совокупность простых цветов.
 
==== Дифракция ====
 
'''''[[w:Дифракция|Дифракция]]''''' — это одно из физических явлений, в котором проявляется волновая природа света.
Строка 487:
3. Фазовая решетка
 
==== Интерференция ====
'''''[[w:Интерференция света |Интерференция света]] ''''' — это явление сложения световых волн, при котором обычно наблюдается распределение интенсивности света
в виде чередующихся светлых и темных полос. Явление взаимного усиления (ослабления) света, при наложении двух его волн, которые имеют одинаковые частоты колебаний.
 
[[ИзображениеФайл:L-interferrenz.png|right|200px]]<br />
 
Это явление наблюдались еще [[w:Ньютон, Исаак|Ньютоном]], но он не мог объяснить его с точки зрения его корпускулярной теории. Объяснить интерференцию света как волновое явление смогли начале 19 в. [[w:Юнг, Томас|Т. Юнг]] и [[w:Френель, Огюстен Жан|О. Френель]]
Строка 497:
Свет, испускаемый ''разными'' источниками, строго монохроматическим не бывает. Поэтому для наблюдения интерференции свет от ''одного'' источника нужно разделить на два пучка. Для деления волнового фронта пучок света пропускается, например, через два близко расположенных отверстия в непрозрачном экране.
 
== Квантовая физика ==
=== Квантовая физика ===
Прорыв в простоте понимания здесь был достигнут благодаря подходу обратной задачи. См. книгу "Послушная квантовая механика. Новый статус теории", которая является не имеющим аналогов в мировой литературе
курсом по квантовой интуиции. Ее можно бесплатно скачать в интернете на страничке
Строка 504:
а также получить ее усовершенствованную английскую версию по электронной почте zakahrev@theor.jinr/ru.
 
=== Физика атома ===
=== Физика атомного ядра===
=== Термоядерный синтез и Эволюция Вселенной ===
<!--Структура физики (с) Пинского-->
 
== Авторам ==
Предлагаю сотрудничество по развитию квантовой теории
см. страничку в интернете http://theor.jinr.ru/~zakharev/
хотелось бы найти энтузиастов для обсуждения новых идей с опытным профессором-теоретиком и иллюстративных расчетов по простым точным моделям zakharev@theor.jinr.ru.
 
=== Символы ===
''Чтобы не искать их по всей Википедии...'' Формулы подобраны и составлены так, чтобы наилучшим образом отразить правила их построения: