Fizika I. - 1. KLASSZIKUS FIZIKA

ELŐSZÓ A fizika az egyetemes emberi kultúra részét alkotó természettudományok egyik ága. Ugyanakkor a fizika az alapja az elképesztően gyors fejlődést mutató technikának, amellyel egyre több ember kerül közvetlen kapcsolatba. Azok a fiatalok, akik ma ismerkednek a műszaki tudományokkal, fizikával, technikával, nagyobbrészt a harmadik évezred hajnalán, a XXI. században fognak dolgozni, akkor fogják a ma tanult ismereteiket ,,hasznosítani". A tudományok fejlődésének egyre gyorsuló üteme azonban a technikai, technológiai ismereteket egyik napról a másikra elavulttá teheti, míg az általános természetleíró magyarázó elvek, amelyek a tudományok alapjai, időtállóbbak. Ez a tény hangsúlyozza az ún. alaptudományok fontosságát, és ezért kell e legalapvetőbb törvényeket feltáró tudományok ismereteit elsajátítania annak, aki ma készül olyan pályára, amely pálya műszaki, technikai eszközrendszerének legnagyobb része most még mindenki előtt ismeretlen. Vissza TARTALOM 1. kötet - KLASSZIKUS FIZIKA Előszó 27 I. MECHANIKA 1. A mozgások leírása (kinematika) 33 1.1. Az anyagi pont mozgásának leírása 33 1.1.1. Alapfogalmak 33 1.1.2. A sebesség 39 1.1.2.1. Az egyenesvonalú, egyenletes mozgás sebessége 40 1.1.2.2. A változó mozgás sebessége 42 1.1.3. A gyorsulás 45 1.1.4. Mozgások leírása egymáshoz képest mozgó vonatkoztatási rendszerekben 50 1.1.5. Néhány mozgás részletes leírása 52 1.1.5.1. Az egyenesvonalú, egyenletes mozgás 52 1.1.5.2. Az állandó gyorsulású mozgás 53 1.1.5.3. Az egyenletes körmozgás 63 1.1.5.4. Az egyenletesen változó körmozgás 66 1.1.5.5. A harmonikus rezgő mozgás 68 1.1.5.6. A harmonikus rezgések összetétele 71 1.2. A merev test kinematikája 79 1.2.1. Rögzített tengely körül forgó merev test 79 1.2.2. A merev test síkmozgása 82 1.2.3. Térbeli forgó mozgás. A szögsebességvektor 90 1.3. A folyadékok és gázok mozgásának leírása 93 2. Dinamika 97 2.1. A dinamika anyagi pontra vonatkozó törvényei 97 2.1.1. A dinamika alapfogalmai. A Newton-törvények 97 2.1.1.1. Az erő fogalmára alapozó felépítés 99 2.1.1.2. Az impulzus (lendület) fogalmára alapozó felépítés 105 2.1.2. Erőtörvények; erőfajták 108 2.1.2.1. Rugalmassági erők 108 2.1.2.2. Nehézségi erő 109 2.1.2.3. Súly; súlyerő 110 2.1.2.4. Gravitációs erő. A Newton-féle gravitációs erőtörvény 113 2.1.2.5. Kényszermozgás; kényszererő 116 2.1.2.6. Súrlódási erő 121 2.1.3. A perdület (impulzusmomentum) 125 2.1.3.1. Centrális erők. A területi sebesség 125 2.1.3.2. A perdület és a forgatónyomaték 129 2.1.4. A munka 135 2.1.4.1. Néhány erőfajta munkája 138 2.1.5. A teljesítmény 143 2.1.6. Mechanikai energiák 144 2.1.6.1. Munkatétel; mozgási energia 144 2.1.6.2. Helyzeti (potenciális) energiák 147 2.1.7. Mozgások dinamikai leírása inerciarendszerhez képest mozgó vonatkoztatási rendszerekben. A tehetetlenségi erők 155 2.1.7.1. Az inerciarendszerhez képest egyenesvonalú, egyenletes mozgást végző vonatkoztatási rendszer 155 2.1.7.2. Az egyenesvonalú, egyenletesen gyorsuló, nem forgó vonatkoztatási rendszer 156 2.1.7.3. Az egy helyben forgó, állandó szögsebességű vonatkoztatási rendszer 150 2.2. Pontrendszerek dinamikája 163 2.2.1. A pontrendszerek mozgásának leírása mozgásegyenletekkel 164 2.2.2. A pontrendszer impulzusa (lendülete) 165 2.2.3. A tömegközéppont. A tömegközéppont mozgásának tétele 167 2.2.3.1. A pontrendszer tömegközéppontjának meghatározása 167 2.2.3.2. Kiterjedt testek tömegközéppontja 168 2.2.3.3. A tömegközéppont mozgásának leírása 173 2.2.4. Pontrendszer perdülete (impulzusmomentuma) 177 2.2.4.1. Pontra vonatkozó perdület 177 2.2.4.2. Tengelyre vonatkoztatott perdület és forgatónyomaték 180 2.2.5. Pontrendszerekre vonatkozó energetikai tételek 183 2.2.6. A kiterjedt testre ható erők jellemzői. Az erő támadáspontja és hatásvonala. Pontba koncentrált, felületen eloszló térfogati erők 186 2.3. Merev test mozgásának dinamikája 189 2.3.1. Rögzített tengely körül forgó merev test dinamikája 189 2.3.1.1. Rögzített tengely körül forgó merev test perdülete 189 2.3.1.2. A testek tehetetlenségi nyomatéka 190 2.3.1.3. A forgó mozgás alaptörvénye rögzített tengely körül forgó merev testre 194 2.3.2. Síkmozgást végző merev test dinamikája 195 2.3.3. Merev test mozgási energiája 196 2.3.4. Merev testre ható, síkban szétszórt erők eredője 198 2.3.4.1. Két erő eredője 198 2.3.4.2. A merev testre ható több erő eredője 203 2.3.4.3. A nehézségi erő helyettesítése pontba koncentrált erővel 204 2.4. Speciális problémák a tömegpont és a pontrendszerek mechanikájából 206 2.4.1. A bolygók mozgása. Mozgás pontszerű test gravitációs erőterében 206 2.4.2. Mesterséges holdak és bolygók; rakéták 211 2.4.3. Esés ellenálló közegben 214 2.4.4. Tehetetlenségi erők a Földön 215 2.4.5. A harmonikus rezgő mozgás 219 2.4.6. A matematikai inga 222 2.4.7. A fizikai inga 224 2.4.8. Csavarási vagy torziós ingák 226 2.4.9. A csillapodó rezgő mozgás 227 2.4.10. Kényszerrezgés; rezonancia 230 2.4.11. Csatolt rezgések 232 2.4.12. Az egyenletes körmozgás dinamikája 233 2.4.13. Példák kényszermozgásokra 235 2.4.14. Ütközések 246 2.5. Statika. Egyszerű gépek 253 2.5.1. Pontszerű test egyensúlyának feltétele 254 2.5.2. Merev testek egyensúlyának feltétele 254 2.5.2.1. Egyszerű gépek 260 2.5.2.2. Egyensúlyi helyzetek. Állásszilárdság 273 2.6. A szilárdságtan elemei 277 2.6.1. Alakváltozások (deformációk) és rugalmas feszültségek 277 2.6.2. Igénybevételek 282 2.6.3. A rugalmassági energia 291 2.7. Folyadékok és gázok mechanikája 293 2.7.1. Folyadékok és gázok sztatikája (hidro- és aerosztatika) 293 2.7.1.1. Nyugvó folyadék szabad felülete 294 2.7.1.2. A nyomás. A nyomás terjedése folyadékokban és gázokban. Pascal törvénye 295 2.7.1.3. A hidrosztatikai nyomás 298 2.7.1.4. Közlekedőedények 302 2.7.1.5. A légnyomás 305 2.7.1.6. A Boyle-Mariotte-törvény 308 2.7.1.7. A felhajtóerő. Arkhimédész törvénye 309 2.7.1.8. Alkalmazások 316 2.7.2. Ideális folyadékok és gázok áramlása 327 2.7.2.1. A Bernoulli-törvény 327 2.7.2.2. Gyakorlati alkalmazások 330 2.7.3. Reális folyadékok és gázok 335 2.7.3.1. A felületi feszültség 335 2.7.3.2. Reális folyadékok és gázok áramlása. A belső súrlódás 343 2.7.3.3. Közegellenállás 347 2.8. Hullámmozgás és hangtan 349 2.8.1. A hullám keletkezése, leírása 349 2.8.1.1. Alapfogalmak 349 2.8.1.2. A terjedési sebesség függése a közeg tulajdonságaitól 356 2.8.1.3. A Doppler-effektus 358 2.8.1.4. A harmonikus mechanikai hullámok energiája 359 2.8.2. A hullámok terjedése 368 2.8.2.1. Terjedési tulajdonságok. Huygens elve 368 2.8.3. A hullámok szuperpozíciója 377 2.8.3.1. A szuperpozíció elve; interferencia 377 2.8.3.2. Pontszerű, egyező frekvenciájú, koherens hullámforrás által létrehozott interferencia 378 2.8.3.3. A Huygens-Fresnel-elv 385 2.8.3.4. Állóhullámok 388 2.8.3.5. Egyirányban haladó hullámok szuperpozíciója. Diszperzió, csoportsebesség, fázissebesség. Hullámcsomag 397 2.8.4. A hang és jellemzői 401 II. TERMODINAMIKA 3. Alapfogalmak. Az energiamegmaradás törvénye 409 3.1. Belső energia; hőfolyamatok; hőmérséklet 409 3.1.1. A térfogati munka 411 3.1.2. Hőfolyamatok. A hőmennyiség 413 3.1.3. Mechanikai és hőegyensúlyi állapot 414 3.1.4. A hőmérséklet és mérése 415 3.1.4.1. A hőmérséklet fogalma 415 3.1.4.2. Hőmérsékleti skálák; hőmérőfajták 416 3.2. A termodinamika I. főtétele; az általános energiamegmaradás elve 419 3.2.1. A belső energia változásának mérése 419 3.2.2. A termodinamika I. főtétele 420 3.2.3. Az általános energiamegmaradás elve 420 3.3. Állapotjelzők 421 4. Állapotváltozások 423 4.1. A szilárd anyagok és a folyadékok hőtágulása 423 4.1.1. A szilárd anyagok lineáris (vonalmenti) hőtágulása 423 4.1.2. Szilárd anyagok térfogati hőtágulása 425 4.1.3. A folyadékok hőtágulása 427 4.2. Az ideális gázok állapotegyenletei 429 4.2.1. A Boyle-Mariotte-törvény 429 4.2.2. Gay-Lussac I. törvénye 430 4.2.3. Gay-Lussac II. törvénye 432 4.2.4. Az általános gáztörvény 433 4.3. Kalorimetria. Fajhő és átalakulási hő 435 4.3.1. A szilárd anyagok és a folyadékok fajhője 436 4.3.2. Fázisátalakulási hők 438 4.3.3. Szilárd anyagok és folyadékok fajhőjének és fázisátalakulási hőjének mérése 440 4.3.4. Gázok fajhője 442 4.4. Nyílt folyamatok ideális gázokkal 445 4.4.1. Izoterm folyamat 446 4.4.2. Izobár folyamat 448 4.4.3. Izochor folyamat 449 4.4.4. Adiabatikus folyamat 449 4.4.5. Politrop állapotváltozás 451 4.5. Reális gázok. Telítetlen és telített gőzök 452 4.6. Halmazállapot-változások (fázisátalakulások) 456 4.6.1. Olvadás; fagyás 456 4.6.2. Párolgás 458 4.6.3. Forrás 458 4.6.4. Kristályszerkezeti átalakulások 460 4.6.5. Szublimáció 460 4.6.6. Fázisdiagram; hármaspont 461 5. A természeti folyamatok iránya. A termodinamika II. főtétele 465 5.1. Reverzibilis és irreverzíbilis folyamatok 465 5.2. A termodinamika II. főtétele 467 5.3. Hőerőgépek. A Carnot-féle körfolyamat 469 5.3.1. A Carnot-féle körfolyamat 469 5.3.2. A hőerőgépek termodinamikai hatásfoka 471 5.3.3. A termodinamikai hőmérsékleti skála 472 5.4. Az entrópia 473 5.4.1. A Gausius-féle egyenlőtlenség 473 5.4.2. Az entrópia definíciója 475 5.4.3. Az entrópianövekedés és az entrópiamaximum elve 476 5.4.4. A termodinamika III. főtétele 477 5.5. Termodinamikai potenciálok 478 5.5.1. Nyílt rendszerek egyensúlyának feltétele 479 5.5.2. A kémiai potenciál 482 5.6. Hűtőgépek, hőpumpa, hőerőgépek 483 5.6.1. A hűtőgépek és a hőpumpa elve 483 5.6.2. Hőerőgépek és hűtőgépek a gyakorlatban 485 5.6.2.1. Gőzgépek 485 5.6.2.2. Gázgépek 486 5.6.2.3. Hűtőgépek 490 6. A hő terjedése 492 6.1. Hővezetés (kondukció) 492 6.2. Hőáramlás (konvekció) 493 6.3. Hősugárzás 493 III. ELEKTRODINAMIKA ÉS OPTIKA 7. Az időben állandó elektromos mező 497 7.1. Elektrosztatikus mező vákuumban. A forráserősség. Gauss tétele 497 7.1.1. Elektromos alapjelenségek 498 7.1.2. Az elektromos mező 501 7.1.3. Pontszerű töltés mezejének térerőssége. Coulomb törvénye 504 7.1.4. Erővonalak 507 7.1.5. A Q töltés keltette mező teljes elektromos fluxusa 511 7.1.6. Az elektromos dipólus 513 7.1.7. Forráserősség. Gauss tétele 515 7.2. Potenciál, örvényerősség (cirkuláció) 519 7.2.1. Az elektromos mező munkája. A feszültség 519 7.2.2. A potenciál 523 7.2.3. Az örvényerősség. Maxwell II. törvénye 526 7.3. Vezetők az elektrosztatikus mezőben 529 7.3.1. Elektromos megosztás. Többlettöltés fémes vezetőn 529 7.3.2. Kapacitás 530 7.3.3. Kondenzátorok. A relatív permittivitás és az elektromos eltolás 532 7.3.4. Gyakorlati alkalmazások 537 7.3.4.1. A földelés 537 7.3.4.2. A potenciál mérése 538 7.3.4.3. Az árnyékolás 538 7.3.4.4. A csúcshatás 539 7.3.4.5. A van de Graff-féle szalaggenerátor 541 7.3.4.6. Az átütési szilárdság 542 7.3.4.7. Kondenzátorfajták 542 7.3.4.8. Kondenzátorok kapcsolása 544 7.4. Az elektromos mező energiája vákuumban 547 7.4.1. A feltöltött kondenzátor energiája 547 7.4.2. Az elektromos mező energiája és energiasűrűsége 548 7.5. Az elektromos áram. Ohm törvénye 550 7.5.1. Az áramerősség 550 7.5.2. A vezető ellenállása. Ohm törvénye 552 7.5.3. Joule törvénye 554 7.5.4. Áramforrások (galvánelemek). Az áramkört jellemző feszültségek 556 7.6. Egyenáramú hálózatok. Egyszerű és összetett áramkörök 562 7.6.1. Kirchhoff törvényei 562 7.6.2. Ellenállások (fogyasztók) kapcsolása 564 7.6.3. Technikai ellenállások 571 7.6.4. Áramforrások kapcsolása 575 7.6.5. Mérőműszerek kapcsolása. Az áramerősség, a feszültség és az ellenállás mérése 578 8. Az időben állandó mágneses mező 585 8.1. A mágneses mező. Forráserősség és örvényerősség 585 8.1.1. A mágneses indukció vektor 585 8.1.2. A mágneses fluxus. Mágneses forráserősség. Maxwell III. törvénye 593 8.1.3. A mágneses örvényerősség. A gerjesztési törvény. Maxwell IV. törvénye 596 8.1.4. A Biot-Savart-törvény 600 8.1.5. Speciális áramelrendezések mágneses mezeje 604 8.1.6. A mágneses térerősség 609 8.2. Erőhatások a mágneses mezőben 611 8.2.1. Az áramjárta vezetőre ható erő. A mágneses Lorentz-erő 611 8.2.2. Szabad töltés mozgása mágneses mezőben 615 8.2.3. Erőhatások mozgó töltések között 617 8.2.3.1. Párhuzamos áramvezetők között ható erő. Az abszolút amper 617 8.2.3.2. Az elemi mágneses erőtörvény 619 8.3. Mozgó vezeték mágneses mezőben 621 8.3.1. Az indukált elektromotoros erő 621 8.3.2. Váltakozóáram előállítása 624 8.3.3. A Váltakozóáram effektív értékei 627 9. Az időben változó mágneses mező 630 9.1. Az elektromágneses indukció. A mágneses mező energiája 630 9.1.1. A nyugalmi indukció 630 9.1.2. A kölcsönös induktivitás és az öninduktivitás 638 9.1.3. A mágneses mező energiája vákuumban 641 9.2. Az energia terjedése az áramforrástól a fogyasztóig. A Poynting-vektor 643 9.3. Az impedancia 649 9.3.1. Ohmikus, induktív és kapacitív ellenállás 649 9.3.2. Teljesítmény és munka az RLC körben 658 9.4. Szabad és kényszerített elektromágneses rezgések 661 9.4.1. Rezgőkörök szabad rezgései 661 9.4.2. Rezgőkörök kényszerített rezgései. Impedanciák soros és párhuzamos kapcsolása 665 9.4.2.1. Soros RLC kör. Feszültségrezonancia 665 9.4.2.2. Párhuzamos LC és RLC kör. Áramrezonancia 667 9.4.2.3. Rezgőkörök csatolása 672 9.5. Gyakorlati alkalmazások 673 9.5.1. Az elektromágnes 673 9.5.2. A transzformátor. Energiaátvitel 678 9.5.3. Generátorok 681 9.5.3.1. Váltakozóáramú generátorok 681 9.5.3.2. Egyenáramú generátorok 686 9.5.4. Motorok 689 9.5.4.1. Egyenáramú motorok 689 9.5.4.2. Váltakozóáramú motorok 690 9.5.5. Mérőműszerek 693 10. Az Időben változó elektromos mező. Az elektromágneses hullámok és a fény 699 10.1. Az eltolási áram. Maxwell törvényeinek rendszere 699 10.2. Gyorsan változó mezők. Elektromágneses hullámok vákuumban 703 10.3. Az elektromágneses hullámok terjedési tulajdonságai 707 10.4. Az elektromágneses hullámok dinamikai tulajdonságai. A sugárzó anyag 713 10.5. Hullámoptikai jelenségek 720 10.5.1. A fény terjedése különböző közegekben 720 10.5.1.1. A fény terjedése homogén közegben 722 10.5.1.2. A fény két közeg határán. Visszaverődés, törés 725 10.5.1.3. A színek 729 10.5.2. A fény polarizációja 731 10.5.3. A fény interferenciája 736 10.5.4. A fény elhajlása (diffrakció) 740 10.5.5. Optikai színképek 746 10.5.6. A teljes elektromágneses színkép 748 10.6. Fotometriai alapfogalmak 752 10.6.1. A fotometria energetikai alapú mennyiségei (radiometria) 753 10.6.2. A fotometria vizuális alapon értelmezett mennyiségei 755 10.6.3. A fotometria két alaptörvénye 758 10.6.4. Fotométerek 760 10.7. Gyakorlati alkalmazások 762 10.7.1. Hangtechnika 762 10.7.1.1. Hanghullámok keltése, terjedése 762 10.7.1.2. Elektromos-akusztikus átalakítók 768 10.7.1.3. A hangérzékelés jellemzői és következményei 773 10.7.1.4. A hangrögzítés eszközei és elvei 778 10.7.1.5. Hangszintézis; beszédfelismerés 786 10.7.2. Elektromágneses hullámok keltése és vétele 790 10.7.2.1. Moduláció 791 10.7.2.2. Erősítők; oszcillátorok 800 10.7.2.3. Adóantennák 808 10.7.2.4. Az elektromágneses hullámok terjedése 813 10.7.2.5. Vevőantennák 817 10.7.2.6. A vett jelek demodulálása 820 10.7.3. Televízió, radar, rádiónavigáció 824 10.7.3.1. Televízió 824 10.7.3.2. Radarok 831 10.7.3.3. Navigációs rendszerek 837 10.7.4. Optika 840 10.7.4.1. Az optikai leképezés 840 10.7.4.2. Optikai leképezés törő közegekkel 841 10.7.4.3. Optikai leképezés visszaverő felületekkel 854 10.7.4.4. A Fermat-elv. Az optikai úthossz 860 10.7.4.5. Optikai eszközök 861