ПРЕДГОВОР 15

УВОД. Предмет и връзка на физиката с другите науки. Физика и биология 17

1. ФИЗИЧНИ ОСНОВИ НА МЕХАНИКАТА 19

1.1. Предмет и граници на класическата механика 19

1.2. Кинематика на материална точка 20

1.2.1. Материална точка. Отправна система. Брой на степените на свобода 20

1.2.2. Механично състояние. Закон на движението, траектория, път, преместване и скорост на материална точка. Физичен смисъл на производната и интеграла 20

1.2.3. Ускорение. Решаване на обратната задача в механиката при праволинейно равнопроменливо движение. Свободно падане 24

1.2.4. Ускорение при криволинейно движение в равнина. Движение по окръжност. Ъглова скорост и ъглово ускорение 26

1.2.5. Действие на ускорението върху човека 32

1.3. Динамика на материална точка 34

1.3.1. Първи принцип на динамиката. Галилеева (инерциална) отправна система. Маса 34

1.3.2. Сила. Принцип на суперпозиция на силите. Втори принцип на динамиката. Импулс 35

1.3.3. Трети принцип на динамиката 37

1.3.4. Момент на сила и момент на импулса. Уравнение на моментите при движение на материална точка 38

1.4. Относителност на движенията 39

1.4.1. Галилееви трансформации. Закон за събиране на скоростите. Инвариантност на ускорението. Принцип на относителността на Галилей 39

1.4.2. Движение в неинерциални отправни системи 42

1.4.3. Инерчни сили 46

1.4.4. Движение в неинерциална система, свързана със Земята 49

1.4.5. Сила на тежестта и тегло. Безтегловност 52

1.5. Работа и енергия 54

1.5.1. Механична работа на постоянна и променлива сила 54

1.5.2. Мощност. Коефициент на полезно действие 56

1.5.3. Кинетична енергия 57

1.5.4. Консервативни и неконсервативни сили 58

1.5.5. Потенциална енергия и връзката й с консервативната сила 60

1.5.6. Пълна механична енергия. Закони за запазване и за изменение на енергията 52

1.5.7. Сравняване характерните функции на живите организми. Работа на мускулите. Организмите като двигатели. Работа и енергия при тях 65

1.6. Сили и фундаментални взаимодействия. Закон на Нютон за гравитацията 68

1.6.1. Видове сили и фундаментални взаимодействия 68

1.6.2. Закон на Нютон за гравитацията 73

1.7. Динамика на система от материални точки и закони за запазване 77

1.7.1. Уравнение на движение. Закони за изменение и за запазване на момента на импулса 77

1.7.2. Център на масите. Разпределение на масата в човешкото тяло 78

1.7.3. Кинетична и потенциална енергия 81

1.7.4. Закон за запазване и за изменение на механичната енергия 84

1.7.5. Област от възможни конфигурации на консервативна система 86

1.7.6. Закон за изменение и закон за запазване на момента на импулса. Двойка сили 87

1.7.7. Приложение на законите за запазване 90

1.8. Динамика на идеално твърдо тяло 95

1.8.1. Идеално твърдо тяло. Видове движения. Уравнение на постъпателното движение 95

1.8.2. Уравнение на въртеливо движение. Инерчен момент 97

1.8.3. Свободни оси. Връзка на момента на силата и на момента на импулса с инерчния момент. Жироскоп 101

1.8.4. Пресмятане на инерчния момент. Теорема на Щайнер 103

1.8.5. Кинетична енергия на въртящото се тяло 104

1.9. Механика на еластичните тела 105

1.9.1. Деформация на телата. Идеално еластично тяло 106

1.9.2. Механично напрежение. Видове деформации 106

1.9.3. Деформация при едностранно опъване или свиване. Закон на Хук. Модул на Юнг. Коефициент на Поасон. Обемна деформация. Енергия при деформацията. Деформация при всестранно опъване или свиване 107

1.9.4. Деформация при хлъзгане 110

1.9.5. Деформация при усукване 112

1.9.6. Диаграма на напрежението 113

1.9.7. Еластични свойства на биологични материали 114

1.10. Механика на флуидите 116

1.10.1. Основни понятия, свойства и модели 116

1.10.2. Статика на флуидите. Изотермична свиваемост. Закон на Паскал. Хидростатично налягане. Закон на Архимед 117

1.10.3. Линамика на идеален флуид — основни понятия и величини. Закон за непрекъснатост. Втори закон на Нютон 120

1.10.4. Закони за запазване на импулса и на енергията при флуидите. Уравнение на Бернули 123

1.10.5. Реални флуиди. Вискозитет. Ламинарно и турбулентно движение. Число на Рейнолдс 127

1.10.6. Уравнение на Поазьой. Движение на тела във флуиди. Формула на Стокс. Челно съпротивление и подемна сила 128

1.10.7. Движение на въздуха в трахеята и на кръвта в сърдечносъдовата система. Кръвно налягане, методи за измерване 133

1.11. Основи на релативистичната механика 136

1.11.1. Постулати на специалната теория на относителността 137

1.11.2. Лоренцови трансформации 138

1.11.3. Следствия от лоренцовите трансформации 139

1.11.4. Интервал между две събития 143

1.11.5. Понятия за релативистична динамика 145

1.11.6. Закон за взаимната връзка между маса и енергия 147

1.11.7. Частици с нулева маса в покой 149

2. ТЕРМОДИНАМИКА И СТАТИСТИЧЕСКА ФИЗИКА 150

2.1. Термодинамичен и статистически подход при описване състоянието на макроскопичните системи 150

2.2. Основни понятия и постулати в термодинамиката 151

2.2.1. Макроскопични параметри 151

2.2.2. Термодинамично равновесие. Основен постулат на термодинамиката 152

2.2.3. Термодинамична температура 152

2.2.4. Измерване на температурата 153

2.2.5. Уравнение на състоянието 155

2.3. Равновесни и неравновесни процеси 156

2.4. Модел на идеален газ 156

2.5. Основни представи на кинетичната теория на газовете 158

2.5.1. Налягане на идеален газ 158

2.5.2. Степени на свобода. Теорема на Болцман за равномерно разпределение на енергията по степените на свобода 159

2.6. Реални газове 161

2.6.1. Взаимодействие между неутрални молекули 161

2.6.2. Уравнение на Ван дер Ваалс 163

2.7. Класическа статистика 164

2.7.1. Функция на разпределението на молекулите по скорости 164

2.7.2. Средна аритметична, средна квадратична и най-вероятна скорост на молекулите на газа 165

2.7.3. Ефузия 170

2.7.4. Опитна проверка на разпределението на Максуел 171

2.7.5. Разпределение на Болцман. Барометрична формула 172

2.8. Първи принцип на термодинамиката 175

2.8.1. Вътрешна енергия 175

2.8.2. Математична формулировка на първия принцип на термодинамиката 176

2.8.3. Работа при термодинамичните процеси 177

2.8.4. Специфични и моларни топлинни капацитети 178

2.8.5. Закон на Дюлонг и Пти 183

2.8.6. Уравнения на основните термодинамични процеси в идеален газ 184

2.8.7. Работа при изотермните и адиабатните процеси 186

2.9. Втори принцип на термодинамиката 186

2.9.1. Цикъл на Карно. Коефициент на полезно действие на топлинна машина, работеща по цикъла на Карно 187

2.9.2. Хладилна машина. Хладилен коефициент 190

2.9.3. Теорема на Карно 191

2.9.4. Термодинамична температурна скала 194

2.9.5. Ентропия. Запазване на ентропията при обратими процеси в адиабатно изолирани системи 195

2.9.6. Закон за нарастване на ентропията при необратими процеси в адиабатно изолирани системи 197

2.9.7. Обратими и необратими процеси 199

2.9.8. Статистически смисъл на II принцип на термодинамиката. Термодинамична вероятност. Формула на Болцман 201

2.9.9. Втори принцип на термодинамиката и живите организми 204

2.9.10. Топлинна смърт на Вселената 205

2.9.11. Флуктации. Брауново движение 205

2.10. Термодинамични методи 206

2.10.1. Метод на термодинамичните потенциали 206

2.10.2. Метод на термодинамичните цикли 211

2.11. Фази и фазови преходи 211

2.11.1. Фаза, фазов преход и фазово равновесие 211

2.11.2. Изпарение. Наситени пари 213

2.11.3. Кипене 216

2.11.4. Втечняване на газовете 216

2.11.5. Топене. Втвърдяване 218

2.11.6. Уравнение на Клапейрон-Клаузиус 219

2.12. Явления на пренасяне 221

2.12.1. Емпирични уравнения на вътрешното триене, дифузията и топлопроводността 222

2.12.2. Удари между молекулите 224

2.12.3. Среден свободен пробег на молекулите 225

2.12.4. Поток на молекулите през повърхност 226

2.12.5. Извод на микроскопичните уравнения на вътрешното триене, дифузията и топлопроводността в газовете 227

2.12.6. Вискозитет на биологични разтвори 232

2.12.7. Конвекция 232

2.12.8. Излъчване 233

2.12.9. Дифузия в течности 233

2.12.10. Дишане 234

2.13. Молекулни явления в течности 234

2.13.1. Строеж на течностите и характер на топлинното движение на молекулите им 234

2.13.2. Молекулно налягане 235

2.13.3. Повърхностно напрежение 236

2.13.4. Налягане под изкривена повърхност на течност 238

2.13.5. Капилярни явления 239

2.13.6. Осмоза 242

3. ЕЛЕКТРИЧЕСТВО 244

3.1. Електростатично поле. Интензитет на полето 244

3.1.1. Електрични заряди. Закон за запазване на заряда 244

3.1.2. Взаимодействие на заряди във вакуум - закон на Кулон 246

3.1.3. Интензитет на полето. Полева форма на принципа на суперпозицията. Линии на интензитета 248

3.1.4. Поток на вектора на интензитета 249

3.1.5. Теорема на Гаус 251

3.1.6. Приложение на теоремата на Гаус за пресмятане интензитета на електростатично поле в няколко случая на симетрично разпределение на електрични заряди 252

3.2. Потенциал на електростатичното поле 255

3.2.1. Работа на електричните сили. Потенциал на електростатичното поле 255

3.2.2. Връзка между интензитета и потенциала на електростатичното поле 258

3.2.3. Еквипотенциални повърхнини 259

3.3. Проводници в електростатично поле 261

3.3.1. Равновесие на зарядите в проводниците 261

3.3.2. Проводник във външно електрично поле 262

3.3.3. Капацитет на проводник. Кондензатор 263

3.3.4. Енергия на електростатичното поле 264

3.4. Диелектрици в електрично поле 266

3.4.1. Електричен дипол 266

3.4.2. Електричен дипол във външно електрично поле 267

3.4.3. Поляризация на диелектриците - вектор на поляризация. Диелектрична възприемчивост 268

3.4.4. Електронна, ориентационна и йонна поляризация на диелектриците 270

3.4.5. Връзка между вектора на поляризация на диелектриците и повърхностната плътност на свързаните заряди 270

3.4.6. Макроскопично поле в диелектрик. Диелектрична проницаемост на диелектрик 272

3.4.7. Сегнетоелектричество. Пиезоелектричество 273

3.4.8. Мембранни потенциали 274

3.4.9. Потенциал на действието 276

3.4.10. Електрични характеристики на човешкото тяло 277

3.5. Постоянен електричен ток 278

3.5.1. Големина и плътност на тока. Уравнение на непрекъснатост 278

3.5.2. Потенциална разлика и електродвижещо напрежение 279

3.5.3. Закони на Ом. Съпротивление на проводниците 281

3.5.4. Диференциална форма на закона на Ом. Закон на Ом за затворена верига 283

3.5.5. Закони (правила) на Кирхов 285

3.5.6. Закон на Джаул-Ленц 286

3.5.7. Основи на класическата електронна теория на проводимостта на металите 288

3.5.8. Прагови стойности на физиологичното действие на електричния ток 290

4. ЕЛЕКТРОМАГНЕТИЗЪМ 292

4.1. Магнитно поле във вакуум 292

4.1.1. Взаимодействие на токове 292

4.1.2. Магнитно поле във вакуум. Магнитна индукция и интензитет на магнитното поле 293

4.1.3. Принцип на суперпозицията. Закон на Био-Савар-Лаплас 294

4.1.4. Циркулация на вектора на магнитната индукция 296

4.1.5. Магнитно поле на соленоид 297

4.2. Действие на електрични и магнитни полета върху движещи се заряди 298

4.2.1. Сила на Лоренц 298

4.2.2. Движение на заредени частици в електрични и магнитни полета 299

4.2.3. Ефект на Хол 301

4.2.4. Електромагнитна помпа 303

4.2.5. Електромагнитен измервател на скоростта на кръвта 304

4.2.6. Електрофореза 304

4.3. Проводник с ток в магнитно поле 305

4.3.1. Закон на Ампер 305

4.3.2. Затворен токов контур (магнитен дипол) в магнитно поле 306

4.3.3. Потенциална енергия на токов контур (магнитен дипол) в магнитно поле 308

4.3.4. Поток на вектора на магнитната индукция 309

4.3.5. Работа за преместване на проводник с ток в магнитно поле 310

4.4. Магнитно поле във веществото 311

4.4.1. Намагнитване на веществата. Видове магнетици 311

4.4.2. Хипотеза на Ампер за същността на магнитното поле на веществата 312

4.4.3. Магнитомеханични явления 313

4.4.4. Вектор на намагнитеност. Магнитна възприемчивост. Относителна магнитна проницаемост 315

4.4.5. Диамагнитни, парамагнитни и феромагнитни вещества 316

4.5. Електромагнитна индукция 318

4.5.1. Електромагнитна индукция. Законна Фарадей. Правило на Ленц 318

4.5.2. Индуцирано електродвижещо напрежение 320

4.5.3. Токове на Фуко 321

4.5.4. Самоиндукция. Индуктивност на токов контур 321

4.5.5. Взаимна индукция. Трансформатори 322

4.5.6. Токове при включване и изключване на електрични вериги 324

4.5.7. Енергия на магнитното поле 326

4.6. Електромагнитно поле 327

4.6.1. Обобщен закон на Максуел-Фарадей 327

4.6.2. Ток на отместване 329

4.6.3. Теория на Максуел 330

4.7. Електромагнитни устройства 332

4.7.1. Електродвигател за постоянен ток 332

4.7.2. Галванометър 333

4.7.3. Потенциометър. Компенсационен метод 334

5. ТРЕПТЕНИЯ И ВЪЛНИ 336

5.1. Хармонични трептения 336

5.1.1. Хармонично трептене на материална точка - амплитуда, период, честота и фаза на движението 336

5.1.2. Кинематика и динамика на хармоничното трептене на материална точка 338

5.1.3. Енергия на хармонично трептяща материална точка 339

5.1.4. Математично махало 340

5.1.5. Графично представяне на хармоничните трептения с помощта на амплитудния вектор 341

5.1.6. Представяне на хармоничните трептения с помощта на комплексни числа 342

5.2. Събиране на трептения 343

5.2.1. Събиране на трептения с еднакви направления 343

5.2.2. Събиране на трептения с взаимноперпендикулярни направления. Фигури на Лисажу 345

5.3. Затихващи и принудени трептения 346

5.3.1. Собствени затихващи трептения 346

5.3.2. Принудени трептения. Резонанс 348

5.4. Електрични трептения 352

5.4.1. Трептящ кръг 352

5.4.2. Собствени незатихващи трептения 353

5.4.3. Затихващи трептения 354

5.4.4. Принудени трептения. Резонанс 355

5.5. Променлив ток 358

5.5.1. Квазистационарен променлив ток 358

5.5.2. Омово, индуктивно и капацитивно съпротивление 360

5.5.3. Мощност на променлив ток 261

5.6. Механични вълни 363

5.6.1. Образуване и разпространение на вълни в еластична среда 363

5.6.2. Уравнение на плоска монохроматична вълна 364

5.6.3. Вълново уравнение 367

5.6.4. Принцип на суперпозицията 367

5.7. Интерференция и дифракция на механични вълни 367

5.7.1. Интерференция на вълни от кохерентни източници 367

5.7.2. Стоящи вълни 369

5.7.3. Принцип на Хюйгенс. Дифракция на вълни 371

5.8. Акустика 372

5.8.1. Физична и физиологична акустика 372

5.8.2. Закон на Вебер-Фехнер 375

5.8.3. Ултразвук и приложението му 376

5.8.4. Ухо и слух 377

5.9. Електромагнитни вълни 378

5.9.1. Енергия и импулс на електромагнитните вълни 380

5.9.2. Електромагнитните вълни и живите организми 381

6. ОПТИКА 383

6.1. Светлината като електромагнитна вълна 383

6.2. Фотометрия 385

6.2.1. Основни енергетични величини 385

6.2.2. Спектрална чувствителност на окото 385

6.2.3. Основни фотометрични величини 386

6.3. Геометрична оптика 388

6.3.1. Общи положения 388

6.3.2. Принцип на Ферма 389

6.3.3. Закони за отражение и пречупване на светлината 390

6.3.4. Пълно вътрешно отражение 391

6.3.5. Око и зрение 392

6.4. Интерференция на светлината 394

6.4.1. Условия за интерференция 394

6.4.2. Интерференция на светлината при преминаването й през тънки пластинки 398

6.4.3. Интерферометри 400

6.4.4. Многолъчева интерференция 401

6.5. Дифракция 403

6.5.1. Дифракция на светлината. Принцип на Хюйгенс-Френел 403

6.5.2. Френелови зони. Френелова дифракция 404

6.5.3. Фраунхоферова дифракция. Дифракционна решетка 406

6.5.4. Дифракция на рентгенови лъчи. Рентгеноструктурен анализ и рентгенова спектроскопия 411

6.5.5. Холография 413

6.5.6. Принципът на холографията за моделиране механизмите на паметта 414

6.6. Поляризация на светлината 415

6.6.1. Естествена и поляризирана светлина 415

6.6.2. Поляризатори и анализатори 416

6.6.3. Получаване на поляризирана светлина. Призма на Никол. Дихроизъм 417

6.6.4. Изкуствено двойно лъчепречупване. Ефект на Кер 419

6.6.5. Оптична активност. Ефект на Фарадей 420

6.7. Дисперсия и поглъщане на светлината 420

6.7.1. Взаимодействие на светлината с веществото 420

6.7.2. Дисперсия на светлината 421

6.7.3. Вълнов пакет. Групова скорост 422

6.7.4. Поглъщане на светлината 422

6.7.5. Фотохимични реакции. Взаимодействие на светлината с живите организми 426

7. ТОПЛИННО ИЗЛЪЧВАНЕ 428

7.1. Топлинно излъчване на телата 428

7.2. Закони за топлинното излъчване на абсолютно черно тяло 431

7.3. Функция на Кирхоф. Формула на Планк 435

7.2. Оптична пирометрия 438

7.5. Топлинни източници на светлина 440

8. ЕЛЕМЕНТИ НА КВАНТОВАТА МЕХАНИКА 441

8.1. Външен фотоефект 441

8.1.1. Същност на явлението. Закони 441

8.1.2. Обяснение на фотоефекта. Уравнение на Айнщайн 444

8.2. Рентгеново излъчване 445

8.2.1. Спирачно рентгеново излъчване. Късовълнова граница на спирачното рентгеново излъчване 446

8.3. Ефект на Комптън 448

8.3.1. Ефект на Комптън. Импулс на фотона 448

8.4. Модел на Бор за строежа на атома 451

8.4.1. Закономерности в атомните спектри на водорода 451

8.4.2. Планетарен модел на Ръдърфорд 451

8.4.3. Постулати на Бор. Опит на Франк и Херц 452

8.4.4. Водородоподобен атом 454

8.5. Вълнови свойства на частиците 456

8.5.1. Хипотеза на Дьо Бройл. Опит на Дейвисън и Джърмър. Опит на Томсън 456

8.5.2. Необикновени свойства на частиците 458

8.5.3. Принцип на неопределеността 458

8.5.4. Уравнение на Шрьодингер. Вълнова функция. Стандартни условия 462

8.5.5. Движение на електрон в едномерна безкрайно дълбока потенциална яма 462

8.5.6. Електронен микроскоп 464

8.6. Квантова теория на строежа на атомите 465

8.6.1. Водороден атом 465

8.6.2. Квантови числа. Квантуване на момента на импулса 466

8.6.3. Спин на електрона» Опит на Щерн и Герлах 468

8.6.4. Израждане на електронните състояния 469

8.6.5. Принцип на Паули. Строеж на многоелектронните атоми 469

8.6.6. Молекули и молекулни спектри 471

9. ЕЛЕМЕНТИ НА ФИЗИКАТА НА ТВЪРДОТО ТЯЛО 473

9.1. Електронни състояния в твърдите тела 473

9.1.1. Енергетични зони 473

9.1.2. Проводници, полупроводници и диелектрици 475

9.2. Контактни и термоелектрични явления 477

9.2.1. Контактна потенциална разлика 477

9.2.2. Термоелектродвижещо напрежение (ТЕЛН) 479

9.3. Полупроводници 480

9.3.1. Собствена проводимост на полупроводниците 480

9.3.2. Примесна проводимост на полупроводниците 482

9.3.3. Фотопроводимост на полупроводниците 484

9.3.4. р-n преход 486

9.3.5. Полупроводникови диоди и транзистори 488

9.4. Луминесценция 490

9.4.1. Хемилуминесценция на биологични системи 493

9.5. Оптичен квантов генератор-лазер 494

9.5.1. Спонтанно и принудено излъчване 494

9.5.2. Оптичен квантов генератор 495

9.5.3. Рубинов лазер 497

10. ФИЗИКА НА ЯДРОТО 499

10.1. Съвременна представа за строежа на ядрото 499

10.1.1. Основни характеристики на ядрата 499

10.1.2. Масов дефект и енергия на свързване на ядрата 501

10.1.3. Ядрени сили 503

10.1.4. Ядрени модели 503

10.2. Радиоактивност 505

10.2.1. Закон за радиоактивното разпадане 505

10.2.2. Закономерности при радиоактивните превръщания 506

10.2.3. Радиоактивни семейства 510

10.2.4. Ядрени реакции 510

10.3. Методи за наблюдение, регистрация и измерване на радиоактивните лъчения 515

10.3.1. Взаимодействие на лъченията с веществото 515

10.3.2. Уилсънова камера 516

10.3.3. Йонизационна камера (интегрираща) 517

10.3.4. Гайгер-Мюлерови броячи (ГМ-броячи) 518

10.3.5. Сцинтилационни броячи 521

10.4. Дозиметрия и лъчезащита 522

10.4.1. Биологично действие на радиацията 522

10.4.2. Дозиметрични величини и единици за тях 525

10.4.3. Дозиметрия и лъчезащита 526

10.4.4. Приложение на радиоактивните изотопи 527

10.4.5. Безопасност на атомните електрични централи 527

ПРИЛОЖЕНИЯ 531

П.1. Физични величини и измерителни единици 531

П.2. Математично приложение 538

П.З. Електромагнитно поле и електромагнитни вълни 548

Литература 553