FYZIKA Vysokoökolsk· uËebnice obecnÈ fyziky
Edice P¯eklady vysokoökolsk˝ch uËebnic, svazek 1 Řídí: Doc. RNDr. Petr Dub, CSc.
Na překladu a redakci učebnice se podíleli: RNDr. Milada Bartlová, PhD., Vysoké učení technické v Brně (kap. 22, 23) RNDr. Zdeněk Bochníček, PhD., Masarykova univerzita Brno (kap. 1, 2, 3, 10) Doc. Ing. Libor Dědek, CSc., Vysoké učení technické v Brně (kap. 32, 33) Prof. RNDr. Ludmila Eckertová, CSc., Univerzita Karlova Praha (kap. 34) Doc. RNDr. Antonín Havránek, CSc., Univerzita Karlova Praha (kap. 13, 15) Prof. RNDr. Václav Holý, CSc., Masarykova univerzita Brno (kap. 9, 11, 12) RNDr. Michal Horák, CSc., Vysoké učení technické v Brně (kap. 27, 28) RNDr. Karel Houfek, Univerzita Karlova Praha (kap. 20) Doc. RNDr. Petr Chvosta, CSc., Univerzita Karlova Praha (kap. 16, 17) Prof. RNDr. Jiří Komrska, CSc., Vysoké učení technické v Brně (kap. 37); redakce kap. 34–38 Prof. RNDr. Michal Lenc, PhD., Masarykova univerzita Brno (kap. 43, 44, 45) Doc. RNDr. Bohumila Lencová, CSc., Akademie věd ČR Brno (kap. 39); redakce kap. 39–45 Prof. RNDr. Miroslav Liška, DrSc., Vysoké učení technické v Brně (kap. 36) RNDr. Vladimír Mitvalský, Vysoké učení technické v Brně (kap. 31) Doc. RNDr. Jana Musilová, CSc., Masarykova univerzita Brno (kap. 4–8); redakce kap. 1–12 Doc. RNDr. Vladislav Navrátil, CSc., Masarykova univerzita Brno (kap. 29, 30) Prof. RNDr. Jan Novotný, CSc., Masarykova univerzita Brno (kap. 38) Doc. RNDr. Jan Obdržálek, CSc., Univerzita Karlova Praha (kap. 14, 18, 19, 21); redakce kap. 13–21 RNDr. Jiří Spousta, PhD., Vysoké učení technické v Brně (kap. 40, 41) Doc. RNDr. Jiří Světlík, CSc., Vysoké učení technické v Brně (kap. 35) Doc. RNDr. Tomáš Šikola, CSc., Vysoké učení technické v Brně (kap. 42) Doc. RNDr. Marian Štrunc, CSc., Vysoké učení technické v Brně (kap. 26); redakce kap. 22–33 Prof. RNDr. Pavel Tománek, CSc., Vysoké učení technické v Brně (kap. 24) RNDr. Vladimír Zdražil, PhD., Vysoké učení technické v Brně (kap. 25, 26) Hlavní redaktor českého překladu Doc. RNDr. Jan Obdržálek, CSc.
DAVID HALLIDAY – ROBERT RESNICK – JEARL WALKER
FYZIKA
Vysokoökolsk· uËebnice obecnÈ fyziky
Redakce ËeskÈho p¯ekladu Petr Dub, Ji¯Ì Komrska, Bohumila Lencov·, Jana Musilov·, Jan Obdrû·lek a Marian ätrunc
VysokÈ uËenÌ technickÈ v BrnÏ -- NakladatelstvÌ VUTIUM a PROMETHEUS Praha
Projekt vydání českého překladu je věnován 100. výročí založení Vysokého učení technického v Brně. Koordinace projektu Alena Mizerová
Jednota českých matematiků a fyziků doporučuje používat tuto učebnici pro základní kurz fyziky na vysokých školách Diskuse ke knize http://www.vutbr.cz/nakl/fyzika
Přeloženo z anglického originálu Fundamentals of Physics, Fifth Editon Extended, 1997, John Wiley & Sons, Inc., s přihlédnutím k 6. vydání z roku 2001 All rights reserved. Authorized translation from the English language edition published by John Wiley & Sons, Inc. Všechna práva vyhrazena. Autorizovaný překlad anglického vydání publikovaného nakladatelstvím John Wiley & Sons, Inc. Žádná část díla nesmí být reprodukována nebo kopírována v podobě mechanické, elektronické, anebo šířena jakýmkoli jiným informačním systémem bez předchozího souhlasu majitelů autorských práv.
Copyright © 1997 by John Wiley & Sons, Inc. © 2000, Vysoké učení technické v Brně, nakladatelství VUTIUM Translation © 2000, J. Komrska, B. Lencová, J. Musilová, J. Obdržálek, M. Štrunc a kol. Editors © 2000, P. Dub, J. Komrska, B. Lencová, J. Musilová, J. Obdržálek a M. Štrunc Pevná vazba: ISBN 80-214-1869-9 (VUTIUM) ISBN 81-7196-214-7 (PROMETHEUS)
Brožovaný komplet: ISBN 80-214-1868-0 (VUTIUM) ISBN 81-7196-213-9 (PROMETHEUS)
P¯edmluva k ËeskÈmu vyd·nÌ Abychom něčemu porozuměli, musíme to roztrhat na kousky a ty znovu sestavit do podoby, která nás uspokojí. Bude se nejspíš lišit od původního tvaru už vzhledem k růzností našich myslí. Naše syntéza je však výsledkem vlastního úsilí, studia a mnoha diskusí a musíme za ni převzít osobní zodpovědnost. J. G. Synge (z předmluvy ke knize Relativity: The Special Theory)
Učebnice Davida Hallidaye a Roberta Resnicka Physics for Students of Science and Engineering vyšla poprvé v roce 1960. Od té doby je s úpravami, které odrážejí vývoj fyziky a její výuky, opakovaně vydávána a stala se jednou z nejužívanějších učebnic úvodních kurzů nejen v USA, ale i v jiných zemích. Je to nejspíše přiměřeností výkladu, tak důležitou na začátku studia, a množstvím vskutku dobrých příkladů, včetně kvalitativních. Názorný výklad, který vychází z konkrétních situací a problémů, není přetěžován matematikou, a je posilován řešenými příklady a kontrolními otázkami vhodně zařazovanými do textu. Poslední tři vydání, na nichž se podílí Jearl Walker, zdařile rozvíjejí kvalitativní uvažování, tolik potřebné pro pochopení fyziky. Student se připravuje k řešení příkladů i složitějších problémů na konci kapitol tak, aby vycházel z fyzikální představy, a nikoli z formálního užití vzorců. Při tomto českém překladu jsme vycházeli z 5. vydání originálu. Naše učebnice však není doslovným překladem. Tam, kde jsme to považovali za vhodné, jsme přihlíželi ke 4. a zejména k nejnovějšímu 6. vydání, které vyšlo v době dokončování českého překladu. V některých místech jsme původní text výrazněji upravili nebo doplnili. O změnách jsme informovali nakladatelství John Wiley & Sons a jednoho z autorů prof. Jearla Walkera, který nám poskytl svůj souhlas a jemuž srdečně děkujeme za jeho zájem o české vydání. Americké učebnice mají blízko k živé hovorové řeči a způsob vyjadřování autorů (zvláště v úvodních částech kapitol, kde má působit především motivačně) je volnější, než jak jsme zvyklí z tradiční české studijní literatury. Tyto rysy užitečné v úvodní učebnici jsme se snažili zachovat. Všichni, kdo jsme se na českém vydání podíleli, jsme si dali hodně práce, abychom udrželi věcnou správnost a přitom zachovali názornost a srozumitelnost výkladu. Úkol to byl mnohem těžší, než jsme si mysleli před zahájením práce. Byla to pro nás i lekce vzájemného tříbení názorů a tolerance. Při přípravě českého překladu jsme si mnohokrát připomněli myšlenku J. L. Syngeho, která ostatně platí pro každé poctivé studium, pro každé trpělivé poznávání. Předkládaná učebnice pokrývá celý kurz obecné fyziky, klasické i moderní, na vysoké škole. Je zvláště vhodná pro inženýrské a přírodovědné obory, bude jí však rozumět i středoškolský student zajímající se o fyziku. Všem čtenářům doporučujeme začít článkem „Jak pracovat s touto knihou“. Doufáme, že vám učebnice usnadní spletitou a dlouhou cestu hledání jednoduchého ve složitém, že vám pomůže vytvořit si výstižný obraz o fyzice, porozumět jí a naučit se ji užívat. AW vám kniha přinese úspěch při studiu i radost z dobrodružství poznání. Petr Dub
Jan Obdržálek v
PodÏkov·nÌ Vydavatelé děkují všem, kteří se na vzniku českého vydání podíleli. Za vstřícný přístup panu Josephu Grossovi a paní Rose Gonzalez z nakladatelství John Wiley & Sons; prof. RNDr. Ivanu Šantavému, CSc., a RNDr. Vladimíru Mitvalskému za cenné konzultace, RNDr. Janě Vláškové za nevšední pečlivost a důslednost při sjednocování rukopisu a redakci textu, PhDr. Miloslavě Hruškové za jazykovou revizi, RNDr. Janě Pavlíkové za pomoc při čtení korektur 3. části, RNDr. Karlu Houfkovi za odbornou i technickou pomoc ve 2. části, Hynku Němcovi za provedení mnoha úprav a změn v textu i v obrázcích při všech korekturách, RNDr. Karlu Horákovi, CSc., za trpělivost a preciznost při grafickém a typografickém zpracování učebnice, Ing. Jaromíru Pěnčíkovi za pochopení finanční náročnosti realizace projektu a v neposlední řadě i pracovníkům Tiskáren v Havlíčkově Brodě za profesionální zaujetí při polygrafickém zpracování knihy. Projekt českého vydání učebnice jako součást akcí věnovaných 100. výročí založení Vysokého učení technického v Brně podpořilo Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy ČR. K podpoře se přihlásili také partneři VUT v Brně:
http://www.abb.cz
http://www.cez.cz
vi
http://www.autocont.cz
http://www.imos.as
http://www.mittag.cz
http://www.avaya.cz
http://www.siemens.cz
PodÏkov·nÌ autor˘ uËebnice Učebnice přináší mnohem více příspěvků k osvětlení tématu, než by mohl kterýkoliv z autorů vytvořit samostatně. J. Richard Christman (U. S. Coast Guard Academy) nám i tentokrát vytvořil množství dobrých dodatků. Jeho znalost naší knihy a doporučení jsou pro studenty i pro učitele nedocenitelné. James Tanner (Georgia Institute of Technology) a Gary Lewis (Kennesaw State College) nám poskytli moderní software, zcela vyhovující cvičením a příkladům v textu. J. Richard Christman (U. S. Coast Guard Academy) a Glen Terrell (University of Texas, Arlington) poskytli příklady v částech textu, týkajících se počítačových či na počítačích vytvořených výpočtů. Jerry Shi (Pasadena City College) se ujal herkulovského úkolu vypracovat řešení ke všem cvičením a úlohám uvedeným v textu. Děkujeme Johnu Merrillovi (Brigham Young University) a Edwardu Derringhovi (Wentworth Institute of Technology) za množství užitečných připomínek. Děkujeme také Georgi W. Huklovi (Oxnard, California) za kontrolu správných odpovědí na konci knihy. Jsme velmi rádi, že nám vydavatelství John Wiley poskytlo značnou organizační pomoc a podporu prostřednictvím našeho předchozího redaktora Cliffa Millse, který řídil naše úsilí a byl nám soustavnou oporou. Když byl Cliff v nakladatelství pověřen jinými úkoly, nalezli jsme kompetentní náhradu pro dokončení díla v jeho nástupci Stuartu Johnsonovi. Rachel Nelson koordinovala redigování textu a předtiskovou přípravu. Vedoucí marketingu Catherine Faduska i její kolega Ethan Goodman věnovali publikaci své neúnavné úsilí. Jennifer Bruer připravila kvalitní svazek doplňkových materiálů. Monica Stipanov a Julia Salsbury se vynikajícím způsobem vyrovnaly s lektorskými posudky a administrativou. Děkujeme Lucille Buonocore, naší velmi schopné produkční, a Cathy Ronda, naší výkonné redaktorce, že dokázaly shromáždit a poskládat všechny díly mozaiky a provést nás složitým procesem výroby. Náš dík zaslouží i další: Dawn Stanley za grafický návrh, Brenda Griffing za čtení rukopisu, Edward Starr za řízení programu pro tvorbu ilustrací, Lilian Brady za čtení korektur a všichni další členové produkčního týmu. O fotografický materiál se postarala Stella Kupferburg a její spolupracovníci, zejména Hilary Newman a Pat Cadley. Jejich pátrání po neobvyklých a zajímavých fotografiích, které vypovídají o fyzikálních principech, bylo
velice úspěšné. Boris Starosta a Irene Nunes pečlivě vyvíjeli program pro tvorbu barevných ilustrací, prověřili každý jeho prvek, a kde bylo třeba, navrhli úpravy — děkujeme jim za to. S velkou vděčností vzpomínáme na zesnulého Johna Balbalise, jehož pečlivá ruka a hluboké porozumění pro fyziku doposud vyzařují z každého grafu. Zvláštní poděkování patří Edwardu Millmanovi za tvůrčí přístup k rukopisu publikace. Prošel ho s námi do posledního slova a kladl nám spousty otázek z pohledu studenta. Mnohé z jeho otázek a návrhů změn napomohly lepší srozumitelnosti knihy. Irene Nunes se v poslední fázi ujala konečného přehlédnutí a sjednocení rukopisu. ZvlášW vděční jsme početným studentům, kteří pracovali se čtvrtým vydáním učebnice, věnovali nám svůj čas, vyplnili a zaslali nám zpět odpově]ní lístky. Studenti jako koneční uživatelé tohoto textu jsou pro nás velice důležití. Tím, že se s námi podělí o své názory, pomáhají nám vytvořit co nejkvalitnější dílo, odpovídající finanční investici při nákupu učebnic. Uvítáme, pokud nám i další uživatelé této knihy sdělí své myšlenky a poznámky, abychom mohli text v budoucích letech nadále zlepšovat. Jsme obzvlášW vděční studentům, kteří pracovali v závěrečné zájmové skupině v Union College, Schenecdaty, New York: byli to Matthew Glogowski, Josh Kane, Lauren Papa, Phil Tavernier, Suzanne Weldon a Rebecca Willis. A konečně je třeba zmínit také naše externí lektory — všichni byli vynikající a my jsme jim za to zavázáni: Maris A. Abolins (Michigan State University), Barbara Andereck (Ohio Wesleyan University), Albert Bartlett (University of Colorado), Michael E. Browne (University of Idaho), Timothy J. Burns (Leeward Community College), Joseph Buschi (Manhattan College), Philip A. Casabella (Rensselaer Polytechnic Institute), Randall Caton (Christopher Newport College), J. Richard Christman (U.S. Coast Guard Academy), Roger Clapp (University of South Florida), W. R. Conkie (Queen’s University), Peter Crooker (University of Hawaii, Manoa), William P. Crummett (Montana College of Mineral Science and Technology), Eugene Dunnam (University of Florida), Robert Endorf (University of Cincinnati), F. Paul Esposito (University of Cincinnati), Jerry Finkelstein (San Jose State University), Alexander Firestone (Iowa State University), Alexander Gardner (Howard University), Andrew L. Gardner (Brigham Young University), John Gieniec (Central vii
viii
PODĚKOVÁNÍ AUTORŮ UČEBNICE
Missouri State University), John B. Gruber (San Jose State University), Ann Hanks (American River College), Samuel Harris (Purdue University), Emily Haught (Georgia Institute of Technology), Laurent Hodges (Iowa State University), John Hubisz (North Carolina State University), Joey Huston (Michigan State University), Darrell Huwe (Ohio University), Claude Kacser (University of Maryland), Leonard Kleinman (University of Texas, Austin), Earl Koller (Stevens Institute of Technology), Arthur Z. Kovacs (Rochester Institute of Technology), Kenneth Krane (Oregon State University), Sol Krasner (University of Illinois, Chicago), Peter Loly (University of Manitoba), Robert R. Marchini (Memphis State University), David Markowitz (University of Connecticut), Howard C. Mcallister (University of Hawaii, Manoa), W. Scott Mccullough (Oklahoma State University), James H. Mcguire (Tulane University), David M. Mckinstry (Eastern Washington University), Joe P. Meyer (Georgia Institute of Technology), Roy Middleton (University of Pennsylvania), Irvin A. Miller (Drexel University), Eugene Mosca (United States Naval Academy), Michael O’Shea (Kansas State University), Patrick Papin
David Halliday 6536 NE Windermere Road Seattle, WA 98105 USA
(San Diego State University), George Parker (North Carolina State University), Robert Pelcovits (Brown University), Oren P. Quist (South Dakota State University), Jonathan Reichart (SUNY – Buffalo), Manuel Schwartz (University of Louisville), Darrell Seeley (Milwaukee School of Engineering), Bruce Arne Sherwood (Carnegie Mellon University), John Spangler (St. Norbert College), Ross L. Spencer (Brigham Young University), Harold Stokes (Brigham Young University), Jay D. Strieb (Villanova University), David Toot (Alfred University), J. S. Turner (University of Texas, Austin), T. S. Venkataraman (Drexel University), Gianfranco Vidali (Syracuse University), Fred Wang (Prairie View A&M), Robert C. Webb (Texas A&M University), George Williams (University of Utah), David Wolfe (University of New Mexico). Doufáme, že naše slova alespoň do jisté míry vypovídají o úžasu, kterým nás naplňuje fyzika jako základní hodinový stroj celého vesmíru. Chceme také věřit, že tato slova vyjádří snad jen malou část úcty a respektu, které k tomuto stroji chováme.
Robert Resnick Rensselaer Polytechnic Institute Troy, NY 12181 USA
Jearl Walker Cleveland State University Cleveland, OH 44115 USA
