Учебник разработан в соответствии с Типовой учебной программой по предмету «Физика» для 11 класса уровня общего среднего образования по обновленному содержанию.
В изложении материала учтены возрастные особенности учащихся, соблюдены принципы научности и доступности, логика раскрытия учебного материала.
В годы величайшего в истории человечества переустройства всего государственного и общественного быта, в годы строительства социализма, все трудящиеся обязаны, по мере сил и возможностей, содействовать великому делу достижения заветной цели.
Физический труд, умение и знание должны работать в тесном единении, помогая друг другу при решении тех задач, которые возникают перед нами на пути к указанной цели. Эта мысль ныне вошла в плоть и кровь всех научных работников СССР. Наука должна, прежде всего, помогать строительству социализма, бороться за его проведение в жизнь. В первом ряду этих борцов должна стоять физика, значение которой именно в настоящее время слишком ясно, чтобы на нем останавливаться.
Одной из важнейших задач ученых, работающих в области физики, является углубление кадров действительных носителей этой науки. Последняя должна прочно занять не малую роль в решении намеченной задачи; но она сможет играть эту роль только при условии, если учебники, не придерживаясь старого уклада, сразу вводят учащегося в современную научную среду, раскрывают перед ним широчайшие перспективы, связанные с техникой и с достижениями физики XX столетия. К такой цели и стремится при составлении этой книги, как видно будет из дальнейших строк.
В книге, наряду с обычно рассматриваемыми вопросами механики, особое внимание уделено движению заряженных частиц в электрическом и магнитном полях. Это позволяет не только расширить круг физических явлений, которые привлекаются для иллюстрации задач механики, но также позволяет органически ввести в механику изложение основ специальной теории относительности. Такое построение книги является педагогически целесообразным новшеством.
По сравнению с первым изданием, вышедшим в 1962 г., в книгу внесены отдельные уточнения и небольшие дополнения.
Книга рассчитана на студентов физико-математических факультетов университетов, а также инженерно-физических и хлебо-технических факультетов вузов. Будет полезна преподавателям физики в вузах и широким кругам физиков различной специальности.
Оптика, или учение о свете, первоначально возникла как попытка ответить на вопрос, почему человек может видеть окружающие предметы. Некоторые древнегреческие философы полагали, например, что рассматривание предметов глазом аналогично до некоторой степени ощупыванию их рукой.
По мнению этих философов, из глаза человека по направлению к рассматриваемому предмету тянется нечто вроде щупальцев. По-видимому, такое представление свойственно всякому наивному сознанию, на что указывают распространенные метафоры: “ощупать взглядом”, “проникнуть взором” и т. д.
Однако в той же древней Греции было высказано мнение, что свет исходит от тел. Некоторые тела при определенных условиях являются источниками света, который, попадая в наши глаза, вызывает зрительное ощущение. Другие тела становятся видимыми благодаря тому, что они поглощают свет или меняют направление распространения (отражают, преломляют).
Таким образом, слово “свет” стало употребляться для обозначения того объективного, происходящего вне нас, явления, которое, воздействуя на глаз, вызывает субъективное зрительное ощущение.
Второе издание учебника в некоторых местах существенно переработано и значительно дополнено, вследствие чего объём его заметно увеличился. В связи с этим я считаю необходимым подчеркнуть, что вовсе не следует весь материал, помещённый в учебнике, рассматривать как обязательный для курса физики физико-математических факультетов.
Всё то, что, по моему мнению, нельзя рассматривать как обязательный материал, напечатано мелким шрифтом (*), и может быть опущено при работе над книгой (во всяком случае при первом чтении). При этом я стремился к тому, чтобы эти пропуски не нарушали последовательности изложения и не затрудняли чтения книги.
В 1789 г. Гальвани открыл физиологическое действие тока. Зацепив медным крючком поясничные нервы свежепрепарированной лягушки и повесив её на железные перила балкона, он заметил, что каждый раз, когда перила приходили в соприкосновение с мышцами лягушки, мышцы сокращались.
Хотя в то время было уже известно, что сокращение мышц происходит при разряде через них наэлектризованных тел, тем не менее долгое время не было установлено единство электрических явлений, и принято было разделять “электричество гальваническое” и электричество, получаемое трением.
Лишь в начале XIX в. появился ряд крупных открытий, обнаруживших чрезвычайное разнообразие электрических явлений: были изучены условия возникновения электрического тока, установлено тепловое и магнитное действие тока, выяснена роль диэлектриков и т. д.
Вторая половина XIX в. ознаменовалась дальнейшим бурным развитием учения об электричестве. В результате работ Фарадея и Максвелла было установлено единство электромагнитных явлений, открыты электромагнитные волны и создана электромагнитная теория света.
Физика изучает наиболее общие формы движения материи (механические, тепловые, электромагнитные и т. д.) и их взаимные превращения. Изучаемые физикой формы движения присутствуют во всех высших и более сложных формах движения (в химических, биологических процессах и др.) и неотделимы от них, хотя и никоим образом не исчерпывают их.
Так, открытому физикой закону всемирного тяготения подчиняются все известные тела земные и небесные, независимо от того, являются ли они химически простыми или сложными, живыми или мертвыми.
Установленному физикой закону сохранения энергии подчиняются все процессы, независимо от того, носят ли они специфический химический, биологический и т. д. характер. Высшие, более сложные формы движения являются предметом изучения других наук (химии, биологии и др.).
В этой книге собрано несколько сот задач, которые предлагались студентам Калифорнийского технологического института (США), слушавшим лекции Р. Фейнмана по физике. Задачи эти самые разные, но тот, кто внимательно читал русское издание «Фейнмановских лекций по физике», может с ними справиться самостоятельно.
Разумеется, эти задачи, хотя они и задуманы как дополнение к «Лекциям», могут быть использованы и независимо от них. В настоящем издании к каждому разделу даны также и решения.
На первый взгляд вам может показаться, что обладающий небольшой энергией электрон с превеликим трудом протискивается через твёрдый кристалл. Атомы в нем уложены так, что их центры отстоят один от другого лишь на несколько ангстрем, а эффективный диаметр атома при рассеянии электронов составляет примерно 1Å или около этого.
Иначе говоря, атомы, если их сравнивать с промежутками между ними, очень велики, так что можно ожидать, что средний свободный пробег между столкновениями будет порядка нескольких ангстрем, а это практически равно нулю.
Следует ожидать, что электрон почти тотчас же влетит в тот или иной атом. Тем не менее перед нами самое обычное явление природы: когда решетка идеальна, электрону ничего не стоит плавно пронестись сквозь кристалл, почти как сквозь вакуум. Странный этот факт — причина того, что металлы так легко проводят электричество; кроме того, он позволил изобрести множество весьма полезных устройств.
Фейнмановские лекции по физике подходят к концу. Настоящий, восьмой, и следующий, девятый, выпуски, составляющие третий том американского издания, завершают курс и приводят читателя к идеям и задачам современной квантовой механики.
Квантовая механика считается трудной наукой. И это правда: ее методы и понятия еще очень далеки от наглядности. Чтобы рассказать о ней понятно и увлекательно, надо совмещать талант педагога и большой опыт исследователя.
Обычно барьером к изучению квантовой механики служит ее математический аппарат. Чтобы научиться решать квантомеханические задачи, надо знать дифференциальные уравнения в частных производных, свободно обращаться со специальными функциями и уметь делать многое другое.
