Вехи истории исследования элементарных частиц. История физики элементарных частиц условно отсчитывается от открытия электрона (Дж. Томсон, 1897 г) . Затем была выяснена структура атомного ядра - открыт протон (Э. Резерфорд, 1910 г.) и нейтрон (Дж. Чадвик, 1932 г.) . Первый этап развития физики частиц условно завершился к середине 1930-х гг. К этому времени список элементарных частиц был невелик: три частицы - электрон e- , протон p и нейтрон n - входят в состав всех атомов; ...

Строение атомных ядер. Атомное ядро любого элемента таблицы Менделеева имеет положительный заряд Ze , где Z - порядковый номер элемента. С момента открытия строения атома (Резерфорд, 1911 г.) было достаточно ясно, что в состав ядер входят протоны - ядра атома водорода, имеющие положительный заряд е . Однако масса ядер больше, чем сумма масс Z протонов, ...

Гипотеза де Бройля. Пытаясь преодолеть трудности боровской модели атома, Л. де Бройль выдвинул в 1924 г. гипотезу, что частицы вещества (например, электроны) обладают волновыми свойствами. Частица с энергией E и импульсом, абсолютная величина которого равна p , может быть сопоставлена с волной, дебройлевская длина волны которой

...

Опыты Резерфорда. Проведенные в 1910-1911 гг. под руководством Э. Резерфорда эксперименты убедительно доказали, что внутри атомов существует очень маленькое положительно заряженное ядро, сосредоточившее практически всю массу атома. Отрицательно заряженные электроны находятся на орбитах вокруг атома. Размер атома определяется радиусами орбит электронов. Таким образом, через 2500 лет после возникновения самой идеи атомного строения вещества была установлена структура атомов.

...

Типы радиоактивных излучений . Природа излучения, испускаемого радиоактивными элементами, может быть выяснена, если поместить радиоактивный образец в постоянное магнитное поле, что дает возможность выяснить, несет ли испускаемое излучение электрический заряд определенного знака (положительно и отрицательно заряженные частицы отклоняются в разные стороны в магнитном поле). Далее можно исследовать проникающую способность радиоактивного излучения, ставя на его пути экраны из разных веществ и разной толщины.

...

Излучение черного тела. Одной из загадок, не поддававшихся решению в рамках классической физики конца XIX в., была проблема теоретического объяснения спектра излучения абсолютно черного тела . Такое тело полностью поглощает падающий свет любой длины волны. Ясно, что это - некоторая идеализация. Г. Кирхгоф показал, что черное тело можно реализовать со сколь угодно большой точностью, ...

Преобразования Лоренца. Формула, описывающая распространение фронта сферической световой волны, может быть переписана в виде:

Введем обозначение: ...

Частная теория относительности была создана А. Эйнштейном в 1905 г. Частная теория относительности (ЧТО) оказала революционное воздействие на физику, ознаменовав завершение классического этапа развития этой науки и переход к современной физике XX века.

Электромагнитные волны в вакууме поперечны. Это означает, что, если волна распространяется вдоль оси x , векторы напряженности полей E B колеблются в плоскости (yz) , перпендикулярной оси распространения. Вообще говоря, направление этих векторов в перпендикулярной плоскости может быть совершенно произвольным, с тем только условием, чтобы E B были взаимно перпендикулярны.

...

Явление дифракции. Дифракция волн заключается в огибании волнами препятствий или в отклонении волн в область геометрической тени при прохождении через отверстия при условии , что линейные размеры этих препятствий порядка или меньше длины волны. Тип волн не имеет значения: дифракция наблюдается и для звука, и для света, и для любых других волновых процессов .

...

Опыт Юнга с двумя щелями. Предложенный Т. Юнгом в 1800 г. эксперимент убедительно демонстрирует волновую природу света. Для лучшего понимания результатов опыта Юнга полезно сначала рассмотреть ситуацию, когда свет проходит через одну щель в перегородке.

...

Границы применимости геометрической оптики. Если длина волны излучения много меньше линейных размеров тех объектов, с которыми взаимодействует свет ( l  << L ), то можно рассматривать свет как совокупность лучей, распространение которых подчиняется простым законам: ...

Волновая природа света и принцип Гюйгенса.

Определения:

1.Волновой фронт - поверхность, соединяющая все точки волны, находящиеся в одной фазе (т.е. все точки волны, которые в одно и то же время находятся в одинаковом состоянии колебаний); ...

Понятие о токе смещения. Согласно закону электромагнитной индукции, изменение во времени магнитного поля влечет за собой появление переменного вихревого электрического поля. Ключевым шагом к пониманию природы электромагнитных явлений была гипотеза Дж. К. Максвелла, что переменное электрическое поле вызывает в свою очередь появление переменного магнитного поля. ...

Колебательный LC-контур.

Пусть цепь содержит только емкость C и индуктивность L . На самом деле всегда существует отличное от нуля активное сопротивление R проводов и катушки индуктивности. Однако для лучшего понимания протекающих в контуре процессов можно пренебречь активным сопротивлением и рассмотреть идеализированную модельную ситуацию.

...

Генератор переменного тока. Простейшим генератором переменного тока является квадратная рамка, вращающаяся между полюсами постоянного магнита c круговой частотой w . ЭДС индукции, генерируемая в рамке с током из-за изменения магнитного потока, равна

...

Самоиндукция. Пусть цепь состоит из замкнутого плоского контура, подключенного к батарее. В момент включения ток в цепи отсутствует, затем он изменяется по какому-то закону, пока не достигнет величины I ₀ , определяющейся напряжением на полюсах и сопротивлением контура. ...

Поток магнитной индукции (магнитный поток). Элемент произвольной поверхности можно представить как вектор D S , численно равный площади элемента поверхности D S и направленный по нормали к поверхности.

По определению потоком магнитной индукции через элемент поверхности D S называется скалярное произведение вектора магнитной индукции B на вектор D S : ...

Электропроводность различных веществ определяется типом носителей тока и свойствами среды, в которой распространяется ток. Детальное рассмотрение механизма электропроводности возможно только на микроскопическом уровне, а следовательно, с помощью законов квантовой механики атомов и молекул.

...

Магнитное поле кругового тока. Установленный Ж. Био и Ф. Саваром закон Био-Савара определяет величину и направление вектора магнитной индукции, создаваемой заданным током:

  (14.1). ...

Сила Лоренца . На точечный электрический заряд q , движущийся со скоростью v в магнитном поле индукцией В , действует со стороны поля сила Лоренца

(13.1) ...

Экспериментальные факты.

1. Постоянные магниты.

В природе существуют вещества с особыми свойствами, из которых можно сделать постоянные магниты. Установлены следующие факты: ...

Сторонние силы. Для поддержания постоянного тока в проводнике требуется поддерживать постоянную разность потенциалов на его концах. Следовательно, в цепи тока должно находиться устройство, в котором движение зарядов происходит в направлении, противоположном направлению этого движения во внешней цепи (от "минуса" к "плюсу"). Те силы, кроме электростатических, которые действуют на заряды и заставляют их двигаться против сил электрического поля, называются сторонними силами . ...

Механизм трансформации энергии в проводнике с током . Заставляя свободные носители перемещаться в проводнике, приложенное электрическое поле совершает работу. Согласно закону сохранения энергии, совершенная на участке цепи работа должна равняться изменению энергии этого участка. Пусть ток в проводнике постоянен во времени и обусловлен упорядоченным движением электронов. Электрическое поле ускоряет электроны, совершая при этом работу за счет внешнего источника. ...

Закон Ома. Сила тока I в участке электрической цепи зависит от приложенного напряжения U . Для металлических проводников и растворов электролитов справедлив закон, установленный Г. Омом:

Сила тока I на участке цепи пропорциональна приложенному напряжению U и обратно пропорциональна сопротивлению проводника R , т.е. ...

Определения.
Упорядоченное движение заряженных частиц называется электрическим током . Ток может возникать в различных средах (газе, жидкости, твердом теле) при условии, что в среде существуют подвижные носители заряда, которые могут двигаться под действием приложенного внешнего поля.

...

Проводники в электрическом поле. В ряде веществ, называемых проводниками , существуют заряженные частицы, способные перемещаться по объему проводника под действием сколь угодно слабого внешнего электрического поля. В наиболее привычных в быту проводниках - металлах - подвижными носителями являются свободные электроны, ...

Определение электроемкости. Физическая величина, характеризующая способность двух проводников накапливать электрический заряд, называется электроемкостью.

Конденсаторы. Устройство, состоящее из двух изолированных друг от друга проводников, расположенных на близком расстоянии друг от друга, называется конденсатором ...

Работа по перемещению заряда в однородном поле. Сила, действующая на пробный заряд q ₀ , помещенный в однородное поле E , направленное вдоль оси x , равна F = q ₀ E . Работа по перемещению заряда на расстояние dx равна dA = Fdx = q ₀ Edx . ...

Поток электрического поля. Элемент произвольной поверхности можно представить как вектор D S , численно равный площади элемента поверхности D S и направленный по нормали к поверхности.

По определению потоком электрического поля через элемент поверхности D S называется скалярное произведение вектора напряженности поля на вектор D S :

...

Как показывает опыт, если пробный заряд q ₀ (достаточно малый по величине) помещается в разных точках пространства вокруг заряженного тела, то на него действует разная по величине и направлению сила, зависящая от величины заряда тела, распределения этого заряда по объему тела и расстояния до пробного заряда. Можно интерпретировать этот результат следующим образом: ...

Раздел физики, изучающий взаимодействие неподвижных заряженных тел, называется электростатикой .

Если размеры заряженных тел много меньше, чем расстояния между ними, эти тела можно считать заряженными материальными точками. Именно в таком приближении экспериментально установлен основной закон электростатики (закон Кулона): ...

Эмпирические факты. В природе существует два типа электрических зарядов: положительные и отрицательные . Одноименные заряды отталкиваются, разноименные заряды притягиваются.

Электрические заряды всех тел кратны по модулю некоторому элементарному электрическому заряду. ...

Фазовые переходы. Всякое вещество может, вообще говоря, находиться в одном из трех фазовых, или агрегатных, состояний (фаз) - твердом, жидком и газообразном. Так, известное всем химическое вещество Н ₂ О может находиться в жидком (вода), газообразном (пар) и твердом (лед) состояниях. Переходы между этими состояниями, происходящие при определенных температуре и давлении, называются фазовыми переходами первого рода .

Структура тепловых машин. Простейшее устройство, способное превращать теплоту в работу, может быть реализовано в циклическом процессе в идеальном газе. В этом случае D U = 0 и полная работа, совершенная системой за цикл, равна количеству теплоты, поступившему в систему: A = Q .Таким образом, в замкнутом цикле осуществляется превращение количества теплоты в работу.

...

Работа и энергия в термодинамической системе. Термодинамическая система может разными способами обмениваться энергией с окружающей средой, поглощая или отдавая количество теплоты и совершая работу. Приняты следующие соглашения: количество теплоты, поступающее в систему, считается положительным ( Q > 0 ); если система отдает количество теплоты окружающей среде, то Q < 0 . ...

Внутренняя энергия. В рамках молекулярно-кинетической теории внутренняя энергия макроскопического тела U определяется как среднее значение суммы всех кинетических энергий хаотического движения молекул или атомов тела и потенциальных энергий взаимодействия всех молекул друг с другом. Вычисление внутренней энергии произвольного тела представляет очень сложную (иногда невыполнимую) задачу. ...

Уравнение состояния идеального газа. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории газа с учетом определения абсолютной температуры принимает вид:

или ...

Тепловое равновесие. Макроскопические величины, характеризующие состояние термодинамической системы (в качестве образа можно иметь в виду газ, заключенный в замкнутый объем), - это давление p , объем V , число частиц или число молей n , температура T , внутренняя энергия U и др. Все эти параметры состояния данной термодинамической системы являются величинами, меняющимися в зависимости от ее взаимодействия с окружающей средой .

...

Основные предположения.

1.Число молекул в газе велико: N >> 1 , среднее расстояние между отдельными молекулами много больше их размеров (l >> a).

Фундаментом молекулярно-кинетической теории является гипотеза, что все тела в природе состоят из мельчайших структурных единиц - атомов и молекул (комбинаций атомов). Атомистическая гипотеза зародилась 2 500 лет назад в Древней Греции (Левкипп и Демокрит из Абдеры) и была окончательно сформулирована в трудах европейских ученых XIX в. ...

Уравнение малых колебаний. Если тело, прикрепленное к упругой пружине, вывести из состояния равновесия, то на тело начнет действовать упругая сила со стороны пружины, которая по закону Гука пропорциональна отклонению тела от положения равновесия. Следует помнить, что закон Гука справедлив только для малых отклонений от положения равновесия (количественно это выражается неравенством D x << l , где l - длина нерастянутой пружины). ...

Плотность тела. По определению плотность однородного тела равна количеству вещества, содержащегося в единице объема тела:

(19.1)

Закон Ньютона для вращательного движения. Второй закон Ньютона для частицы, движущейся под действием силы F , может быть записан в виде:

...

Упругие одномерные соударения двух тел. Упругими соударениями тел называются соударения, при которых сохраняется кинетическая энергия. Соударения, при которых не сохраняется кинетическая энергия, называются неупругими. ...

Определение импульса. По определению импульс тела - это вектор, равный произведению массы тела на его скорость:

(16.1) ...

Консервативные системы. В природе существуют такие взаимодействия, что порождаемые ими силы обладают замечательным свойством: работа этих сил при перемещении тела по замкнутому пути равна нулю. Такие силы называют консервативными , а системы, в которых действуют только консервативные силы, называют консервативными системами .

Работа. По определению работой постоянной силы F, совершаемой при перемещении тела на величину s, называется величина

(14.1) ...

Если поверхности двух тел соприкасаются, то между ними возникает сила, направленная в каждой точке по касательной к поверхности соприкосновения и препятствующая движению тел относительно друг друга. Эта сила называется силой трения. На микроскопическом уровне возникновение сил трения между поверхностями разных тел зависит от взаимодействия молекул и атомов этих тел. ...

Сила, возникающая в результате деформации тела и направленная в сторону, противоположную перемещениям частиц тела при деформации, называется силой упругости .

...