Фізика (Чоплан П.П
.).pdfПері од
Періодична система хімічних
ct |
|
|
|
Г |
Р |
У |
|
к |
|
|
|
|
|
|
|
а. |
і |
II |
III |
I V |
|
V |
: |
|
|
1 |
1 |
Н |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Гідроген |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
1,0079 |
Водень |
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
2 |
Li |
3 Be |
4 В |
5 С |
6 N |
7 |
||||
6,941 |
ЛІТІЙ |
9,012 |
Берилій |
10,81 |
Бор |
12,011 |
Карбон |
Нітроген |
|||
|
|
|
|
|
Вуглець |
14,0067 |
Азот |
||||
3 |
3 |
Na |
11 |
Mg |
12 |
А І |
13 |
Si |
14 |
р |
15 |
22,990 |
Натрій |
^ |
Магній |
Алюміній |
28,086 |
Силіцій |
Фосфор |
||||
|
|
|
24,305 |
|
26,981 |
Sc |
|
90,973 |
|
||
|
4 |
К |
19 |
Са |
?° |
21 |
22 |
Т і |
рз |
v |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
39,098 |
Калій |
40,08 |
Кальцій |
Скандій |
44,956 |
Титан |
47,90 |
Ванадій |
50,941 |
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
Си зо |
Z n |
Ga |
|
Ge |
|
As |
|
||
|
5 |
29 |
31 |
32 |
33 |
||||||
|
Купрум |
63,546 |
Цинк |
65,38 |
69,72 |
Галій |
Германій |
74,921 |
Арсен |
||
|
|
Мідь |
|
|
72,59 |
|
|
||||
|
6 |
Rb |
37 |
Sr |
3 8 |
39 |
γ |
40 |
Z r |
41 |
Nb |
|
85,468 |
Рубідій |
Стронцій |
Ітрій |
88,906 |
Цирконій |
Ніобій |
92,906 |
|||
5 |
|
|
87,62 |
|
|
|
91,22 |
|
|||
|
|
Ag 4 8 |
|
In |
|
Sn |
|
Sb |
|
||
|
7 |
4 7 |
C d |
4 9 |
5 0 |
51 |
|||||
|
Аргентум |
Кадмій |
112,40 |
114,82 |
Індій |
118,71 |
Станум |
121,75 |
Стибій |
||
|
|
Срібло |
107,868 |
|
|
Олово |
|
||||
|
8 |
Cs |
5 5 |
Ва |
56 57 |
*La 72 |
Hf 73 |
Та |
|||
|
132,91 |
Цезій |
137,33 |
Барій |
Лантан |
138,905 |
Гафній |
178,49 |
Тантал |
180,948 |
|
6 |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
Hg ТІ |
|
|
|
ВІ |
|
||
|
9 |
79 |
А и |
80 |
81 |
Р Ь |
82 |
83 |
|||
|
Аурум |
196,967 |
Меркурій |
204,37 |
Талій |
Плюмбум |
208,980 |
Бісмут |
|||
|
|
Золото |
Ртуть |
200,59 |
|
207,2 |
Свинець |
|
|||
7 |
10 |
Fr |
87 Ra |
88 |
89 **д с 104 |
Db 105 |
J| |
||||
Францій |
226,025 |
Радій |
Актиній |
[227] |
Дубній |
[261] |
Джоліотій |
||||
|
|
[223] |
|
|
|
|
|
[262] |
Вищі
оксиди R20
Леткі
гідриди
* Л а н т а н о ї д и |
Рг |
||
сл 00 |
о (D |
59 |
|
140,12 |
|
140,908 |
|
Церій |
|
Празеодим |
* * А к т и н о ї д и
RO
60 N d
144,24
Неодим
R2O3 r o 2
rh 4
61Pm 62 Sm (О00 |3
[147]150,4 151,96
Прометій Самарій Європій
R20 5
RH3
64 Gd'
157,25
Гадоліній
90 |
T h 91 |
Ра 92 |
и 93 |
Np 94 |
Ри 95 |
Am 96 Cm |
232,038 |
[231] |
238,029 |
[237] |
[244] |
[243] |
[247] |
Торій |
Протактиній Уран |
Нептуній |
Плутоній |
Америцій Кюрій |
елементів Д.І.Менделєєва
ПА
|
VI |
|
VII |
|
|
|
|
VIII |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Не |
|
2 |
Символ |
|
|
Порядковий |
||
|
|
|
|
|
|
4,0026 |
Гелій |
елемента |
|
номер |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
ч |
|
|
|
/ |
|
|
|
|
|
F |
|
9 Ne |
|
|
|
|
|
|
|||
0 |
|
8 |
|
|
10 |
Н |
|
|
і - Назва |
|
||||
15,999 |
Оксиген |
18,998 |
Флуор |
20,179 |
Неон |
|
Гідроген |
елемента |
||||||
|
Кисень |
|
Фтор |
|
|
1,0079 |
Водень |
Ч |
|
|||||
S |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
16 |
С І |
|
17 |
А г |
|
18 |
Від»носна |
|
|
Назва |
|
||
|
|
|
ато імна |
|
|
|
простої |
|||||||
32,06 |
Сульфур |
35,453 |
|
Хлор |
39,948 |
Аргон |
|
|
|
|||||
|
Сірка |
|
|
|
|
мас а |
|
|
|
речовини |
||||
24 |
|
СГ 25 |
Мп 26 |
Fe 27 |
Со 28 |
|
Ni |
|||||||
Хром |
|
51,996 |
Манган |
54,938 |
Ферум |
|
Кобальт |
58,933 |
НІКОЛ |
58,70 |
||||
|
|
|
Залізо |
55,847 |
|
Нікель |
||||||||
Se |
|
34 |
Вг |
|
35 |
Кг |
|
36 |
|
|
|
|
|
|
78,96 |
|
Селен |
79,904 |
|
Бром |
83,80 |
Криптон |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
42 |
|
Мо 43 |
|
Тс 44 |
Ru 45 |
Rh 46 |
|
Pd |
||||||
Молібден |
95,94 |
Технецій |
|
Рутеній |
|
Родій |
102,905 |
Паладій |
106,4 |
|||||
|
|
j |
98,906 |
|
101,07 |
|
|
|
||||||
Те |
|
52 |
|
53 |
Хе |
|
54 |
|
|
|
|
|
|
|
127,60 |
|
Телур |
126,904 |
|
Іод |
131,30 |
Ксенон |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Иод |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
74 |
|
W 75 |
|
Re 7 6 |
O |
s 7 7 |
|
ІГ |
78 |
|
Pt |
|||
Вольфрам |
183,85 |
Реній |
186,207 |
Осмій |
|
іридій |
192,22 |
Платина |
|
|||||
|
|
|
|
190,2 |
|
|
195,09 |
|||||||
Ро |
|
84 At |
|
85 Rn |
|
86 |
|
|
|
|
|
|
||
[209] |
Полоній |
[210] |
Астат |
[222] |
Радон |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
106 |
|
Rf 107 |
|
Bh 108 |
Hs 109 |
M |
t |
110 |
Uun |
|||||
Резерфордій |
Борій |
|
[262] |
Гасій |
|
Майтнерій |
|
Унуннілій |
[272] |
|||||
|
|
[263] |
|
|
|
[265] |
|
[266] |
|
|
||||
R03 |
R20 7 |
|
|
|
r o 4 |
|
|
|
|
|||||
H2R |
HR |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
e s |
т ь 66 |
Dy 67 |
Но 68 |
Ег 69 |
Tm 70 |
|
Yb 71 |
Lu |
||||||
158,925 |
|
162,50 |
164,93 |
167,26 |
|
168,93 |
173,04 |
|
174,97 |
|
||||
Тербій |
|
Диспрозій |
Гольмій |
Ербій |
|
Тулій |
ітербій |
Лютецій |
||||||
97 |
Вк 98 |
Cf 99 |
Es 100 |
Fm 101 |
Md 102 |
No 103 |
Lr |
|||||||
[247] |
|
[251] |
|
[252] |
[257] |
|
[258] |
[259] |
|
[260] |
|
|||
Берклій |
Каліфорній |
Ейнштейній Фермій |
Менделевій |
Нобелій |
Лоуренсій |
Π. Π. ЧОЛПАН
ФІЗИКА
Затверджено Міністерством освіти і науки України
Підручник для студентів природничих факультетів університетів і педагогічних інститутів
Київ «Вища школа»
2003
УДК 53(075.8) ББК 22.3я73 4-75
Гриф надано Міністерством освіти і науки України (лист від 28 листопада 2001 p. М 1/11-4499)
Р е ц е н з е н т и : д-р фіз.-мат. наук, проф. З.В. Стасюк (Львівський національний університет ім. Івана Франка), канд. фіз.-мат. наук, доц. В. М. Кланічка (Прикарпатський державний університет ім. Василя Стефаника)
Редакція літератури з економіки і фундаментальних наук Редактор JI. М. Оріиіич
Чолпан Π. П.
4-75 Фізика: Підручник. — Κ.: Вища пік., 2003. — 567 с.: іл. ISBN 966-642-112-7
Викладено основні питання курсу загальної фізики: механіки, молеку лярної фізики і термодинаміки, електрики і магнетизму, оптики і спе ціальної теорії відносності, фізики атомного ядра і елементарних части нок. Розглянуто механіку суцільного середовища, будову й властивості кристалів, рідин, полімерів, рідких кристалів, біологічну дію йонізуючого випромінювання, новітні досягнення фізики.
Для студентів природничих факультетів університетів і педагогічних інститутів. Може бути корисним для студентів інженерно-технічних і тех нологічних спеціальностей вищих технічних навчальних закладів.
ISBN 966-642-112-7
УДК 53(075.8) ББК 22.3я73
© Π. П. Чолпан, 2003
ПЕРЕДМОВА
Сучасна фізика — широко розвинена і розгалужена наука. Про грес науки і техніки дає змогу розширити сфери фізики, раніше не доступні для дослідження. Розвиваючись у тісному зв’язку з техні кою і будучи її підґрунтям, фізика проникла практично в усі галузі промисловості, створивши можливість для появи багатьох нових її галузей. У «надрах» фізики народилися лазерна і аерокосмічна тех ніка, голографія, радіоелектроніка, опто- і кріоелектроніка, ядерна енергетика та ін.
Фізика — фундаментальна дисципліна, оволодіння якою сприяє розвитку мислення, створенню бази наукових основ для вивчення всіх природничих дисциплін, формуванню світогляду студентів на основі сучасних досягнень науки і техніки, глибокому розумінню явищ і процесів у навколишньому природному середовищі.
За роки незалежності України відбулася гуманітаризація на фізи- ко-математичних, природничих та інженерно-технічних факульте тах, що сприяє всебічному розвитку особи, допомагає розкрити її індивідуальність. Класична і квантова фізика нині є не лише завер шеними науками, а й елементами загальнолюдської культури на су часному етапі розвитку людської цивілізації.
Водночас використання досягнень сучасної фізики дає не тільки позитивні наслідки. На сучасному етапі розвитку науки і техніки виникли, наприклад, екологічні проблеми забруднення довкілля, парниковий ефект, озонові діри, проблеми Чорнобиля, подолання технократизму, відчуження людини від природи. Усе це потребує посилення гуманістичної спрямованості науки і техніки.
Фізика має велике загальнонаукове значення як одна із галузей інтелектуальної діяльності людини, що формує сучасне світосприй няття і світорозуміння. Досягнення фізики значною мірою визнача ють зміст сучасної науково-технічної і технологічної революції, вони є основою науково-технічного прогресу. У духовному відродженні України певне місце має належати фізиці як науці, а також її історії.
Книга складається з шести частин. У першій частині висвітлено основи класичної механіки. Другу частину присвячено молекулярній
З
фізиці і термодинаміці. В третій частині вивчається електрика, по стійний електричний струм і електромагнетизм. У четвертій частині викладено оптику та спеціальну теорію відносності. У п’ятій частині розглянуто основи атомної фізики. Шосту частину присвячено фізиці атомного ядра та елементарних частинок.
У підручнику висвітлено новітні досягнення, історичний, методоло гічний і філософський аспекти розвитку фізики, роль українських учених в її розвитку. Описано прилади, експериментальні установки і методи вимірювання, особливу увагу приділено описанню найви значніших експериментів у фізиці Г. Кавендіша, Р. Міллікена, Π. М. Лебедєва, С. І. Вавилова, Р. Резерфорда, К. Девісона, JI. Джермера. Розглянуто як фундаментальні закони, так і емпіричні спів відношення, а також використано моделі матеріальної точки, матема тичного маятника, ідеального газу, абсолютно чорного тіла, моделі атомного ядра тощо. Матеріал подано без громіздких математичних викладок, належну увагу приділено фізичній суті явищ, понять і законів, які їх описують, а також наступності сучасної і класичної фізики.
Автор висловлює вдячність завідувачу кафедри загальної фізики Львівського національного університету ім. Івана Франка, проф., д-ру фіз.-мат. наук 3. В. Стасюку та завідувачу кафедри теоретичної і експериментальної фізики Прикарпатського державного університе ту ім. Василя Стефаника, доц., канд. фіз.-мат. наук В. М. Кланічці за цінні зауваження щодо поліпшення якості підручника.
ВСТУП
1.Предмет фізики
ізагальні методи наукового пізнання
Предмет фізики. У давнину фізикою називали вчення про приро ду (від грец. φνσιχά — природа).
Систематизація нагромаджених знань про природні явища з ча сом привела до виникнення науки. Знання про природу розширюва лись і уточнювались завдяки спостереженням, а на більш високій стадії науки — експериментам.
Предмет фізики не залишається незмінним, а має історично ви значений характер. Водночас він не змінюється безперервно зі зміною наукової проблематики, розширенням кола питань, які фізика ви вчає на певному етапі. Наприклад, в історії механіки розширення і ускладнення її проблематики відбувалися від статики до динаміки, від динаміки матеріальної точки до динаміки твердого тіла, рідин, газів. Проте ці зміни в науковій проблематиці не спричинили зміни предмета механіки. Нові проблеми не виходили за межі історично визначеного предмета механіки, визначеної форми матеріального руху, які розглядала механіка. В XIX ст. фізика вивчала механічні та теплові рухи, гравітаційне та електромагнітне поля. Сучасна фізика вивчає також квантово-механічну, зокрема внутрішньоядерну, фор му руху. Звичайно, ці рухи матерії існували в природі й раніше, але вони не належали і не могли належати предмету фізики, поки не були виявлені експериментально.
Ідеалісти і матеріалісти розуміють предмет фізики по-різному. Представники суб’єктивного ідеалізму стверджують, що предмет будьякої науки, в тому числі й фізики, перебуває у сфері відчуттів і завдання фізики полягає у відкритті законів зв’язків між цими відчут тями.
У XIX ст. німецький хімік Ф. Кекуле писав, що хімія — наука про атоми, фізика — наука про молекули, механіка — наука про маси.
Однак при такому визначенні наук не відображено зв’язок між ними. Фізика вивчає найпростіші й найзагальніші властивості ма терії та форми її руху (механічні, теплові, електромагнітні тощо), які належать до вищих, складніших форм руху (хімічних, біологіч
5
них та ін.). Наприклад, фізичний закон всесвітнього тяжіння спра ведливий для взаємодії будь-яких тіл, незалежно від того, хімічно прості вони чи складні, є неживою чи живою матерією. Законам збереження підпорядковані всі природні процеси, в тому числі хімічні, біологічні.
Сучасна фізика вивчає різні фізичні поля, елементарні частинки, йони, атоми, молекули та їхні сполуки. Молекули і атоми вивчають також хімія та біологія. Так, на основі спільності об’єкта досліджен ня відбувається взаємне проникнення наук. Застосування фізичних методів дослідження в хімії, біології, геології, астрономії приводить до інтеграції науки, виникнення нових самостійних наук — фізич ної хімії, біофізики, геофізики, астрофізики тощо.
З розвитком фізики уточнюються і вдосконалюються її закони й поняття, змінюються фізичні теорії. При цьому змінюються і пред мет фізики, і методи фізичного дослідження природи.
Фізика в сучасних умовах стає більш диференційованою, що по лягає в оформленні окремих розділів науки у відносно самостійні дисципліни зі своїми специфічними завданнями і методами дослі дження: фізика твердого тіла, фізика рідин, фізика напівпровідників, фізика низьких температур, фізика атмосфери, фізика атомного ядра, фізика високих енергій та ін. Тому при визначенні предмета сучас ної фізики потрібно враховувати ці дві її особливості — інтеграцію та диференціацію.
В атомах та атомних ядрах превалюють фізичні форми руху. Про те вже тут починає виявлятися та нова форма руху, дослідження якої належить хімії. Тому властивості атомів та атомних ядер дослі джує не тільки фізика, а й хімія. Це та межа, де починається взаємо проникнення цих наук. Проте атоми й атомні ядра вивчає в основно му фізика. В молекулі, особливо багатоатомній, найбільше виявляєть ся хімічна форма руху. Фізика також вивчає макротіла, досліджує їхні фізичні властивості й структуру. Вагомий внесок зробили вченіфізики у вивчення металів, діелектриків, напівпровідників. Без цьо го був би неможливий сучасний розвиток техніки.
Сучасна фізика, яка експериментальними методами, теоретич ними узагальненнями і передбаченнями вивчає прості, але найзагальніші властивості й об'єктивні просторово-часові закони руху матерії, кількісні та якісні зміни її, пов'язані з будовою, взаємодією і перетвореннями всіх її видів і станів, є частиною природознавства.
Загальні фізичні методи наукового пізнання умовно можна поді лити на такі групи: методи емпіричного дослідження; методи, що використовуються на емпіричному та теоретичному рівнях дослі дження; методи теоретичного дослідження*.
*Сичивица О. М. Методьі и форми научного познания. — М.: Висш . шк., 1972.
6
До п е р ш о ї г рупи належать такі методи пізнання, як спосте реження, порівняння, вимірювання та експеримент.
Спостереження — найелементарніший метод, що виступає най частіше як один з елементів у складі інших емпіричних методів. Спостереження — це активний пізнавальний процес, що спирається насамперед на роботу органів відчуття людини та його предметну матеріальну діяльність. Однак при цьому істотне значення належить мисленню людини, її знанням та досвіду.
Прогрес спостереження як метод наукового пізнання нерозривно пов’язаний з прогресом засобів спостереження. Винайдення телеско па дало змогу поширити спостереження на мегасвіт, а створення мікро скопа сприяло вивченню мікросвіту. Рентгенівський апарат, радіоло катор, генератор ультразвуку та багато інших технічних засобів спосте реження привело до зростання значення цього методу дослідження. Спостереження — це не випадкове сприйняття об’єкта, не одноактна дія. Дослідник може дістати по-справжньому цінну інформацію лише тоді, коли спостереження ведеться або неперервно, або за визначеною системою, що дає змогу сприймати об’єкт багаторазово і в найрізно манітніших умовах. Спостереження як засіб пізнання дає нам у формі сукупності емпіричних тверджень первісну інформацію про об’єкт до слідження, а результат спостереження є первинним етапом пізнання.
Порівняння — це один із найпоширеніших і універсальних ме тодів пізнання. Не випадково існує відомий афоризм: «все пізнаєть ся в порівнянні». Порівнянням називають установлення подібності й відмінності предметів і явищ дійсності. Внаслідок порівняння вста новлюють те загальне, що притаманне двом або більше об’єктам, а виявлення загального, що повторюється в явищах, як відомо, відкри ває шлях до пізнання закону. Щоб порівняння було плідним, воно має задовольняти дві основні вимоги. Порівнюють лише такі явища, між якими може існувати певна об’єктивна спільність. Не можна порівнювати явно непорівнювані речі, оскільки це може призвести у найкращому разі до поверхових, а отже, безплідних аналогій. Об’єк ти мають порівнюватися за найважливішими, істотними ознаками. Порівняння за неістотними ознаками може призвести до помилко вих висновків. Різні досліджувані об’єкти можна порівнювати без посередньо або опосередковано — через порівняння їх з якимось іншим об’єктом. У разі спостереження найчастіше дістають такі якісні результати: більше — менше, тепліше — холодніше тощо. Якщо об’єк ти порівнюють з якимось іншим об’єктом, що відіграє роль еталона, то знайдені кількісні характеристики набувають особливої цінності, оскільки вони описують об’єкти безвідносно один щодо одного, да ють більш повне знання про них. Таке порівняння називають вимі рюванням.
Вимірювання історично виникло з порівняння, що є його осно вою. Проте, на відміну від порівняння, вимірювання є більш ефек
7