Михаилом Васильевичем Ломоносовым, когда он издал первый в России учебник

Вид материала

Учебник

Содержание Рисунок 1. Схема развития физического знания Метр (м) —длина пути, проходимого светом в вакууме за 1/299792458 с. Килограмм Радиан (рад) — угол между двумя радиусами окружности, длина дуги между которыми равна радиусу. Стерадиан Физические основы механики Кинематика. Основные понятия кинематики Положение тела Поступа­тельное движение Вращательное движение — Рисунок 7. Механическое движение Средняя скорость Мгновенная скорость Среднее ускорение Революция в науке

Подобный материал:

• Михаилом Васильевичем Ломоносовым, когда он издал первый в России учебник, 60.16kb.
• На районный конкурс сочинений, посвящённый 300- летию со дня рождения М. В. Ломоносова, 50.98kb.
• Урок в 6А классе по теме: «Великий сын России М. В. Ломоносов», 152.75kb.
• Первый почетный гражданин города в. А. Меньшиков, 53.56kb.
• Стенограмма прямой телефонной линии с ректором Ижгту иваном Васильевичем Абрамовым, 170.13kb.
• Какое пособие для обучения грамоте было написано Ломоносовым и в каком году? 15. Развитие, 135.11kb.
• Учебник является единым комплексом программ, который, 38.85kb.
• План-конспект занятия в объединении «Глиняная игрушка» на тему: «Творческая встреча, 61kb.
• Н. С. Тимофеев Муниципальное право России: учебник, 8003.95kb.
• Первый русско-корейский словарь М. Пуцилло, 65.2kb.

Лекция 1.

Введение.

Термин «физика» впервые появился в сочинениях одного из величайших мыслителей древности — Аристотеля, жившего в IV веке до нашей эры. Физика была тесно связана с философией, первоначально даже термины «физика» и «философия» были синонимами, поскольку обе дисциплины пытаются объяснить законы функционирования Вселенной.

Филосо́фия (др.-греч. φιλοσοφία «любовь к мудрости», «любомудрие», от φιλέω — люблю и σοφία — мудрость) — дисциплина, изучающая наиболее общие существенные характеристики и фундаментальные принципы бытия и познания, бытия человека, отношения человека и мира.

Фи́зика (от др.-греч. φύσις «природа») — наука, изучающая наиболее общие и фундаментальные закономерности, определяющие структуру и эволюцию материального мира.

В результате научной революции¹ XVI века физика выделилась в отдельное научное направление.

В русский язык слово «физика» было введено Михаилом Васильевичем Ломоносовым, когда он издал первый в России учебник физики в переводе с немецкого языка.

В современном мире значение физики чрезвычайно велико. Всё то, чем отличается современное общество от общества прошлых веков, появилось в результате применения на практике физических открытий. Так, исследования в области электромагнетизма привели к появлению телефонов, открытия в термодинамике позволили создать автомобиль, развитие электроники привело к появлению компьютеров.

Несмотря на огромный объём накопленных знаний, современная физика ещё очень далека от того, чтобы объяснить все явления природы.



Рисунок 1. Схема развития физического знания

Процесс познания в физике начинается либо с наблюдения некоторого (обычно – повторяющегося) явления в естественных условиях, либо со специально поставленных опытов-экспериментов. На основе накопленного экспериментального материала путем обобщения строится некоторое предварительное предположение – гипотеза. Гипотезы, выдерживающие проверку, превращаются в законы. Физические законы — устойчивые повторяющиеся объективные закономерности, существующие в природе. Физические теории, как правило, базируются на нескольких физических законах, и способны не только удовлетворительно объяснять известные явления, но и могут предсказывать новые явления и закономерности.

Появление достоверного опыта, не согласующегося с существующей теорией, является побудительным толчком к созданию новой, более совершенной теории или к уточнению существующей. Как правило, «хорошие» теории не отвергаются полностью, а входят как составная часть или предельный случай существующей (пример – классическая и релятивистская механика). Реализуется известный принцип развития вверх по спирали, что можно прокомментировать схемой рис.1.

Исторически физика подразделяется на несколько взаимосвязанных частей (рис.2). В нашем курсе рассматриваются только некоторые из них.




Рисунок 2. Структура курса физики

Часто, говоря о структуре физики, разделяют макроскопическую и микроскопическую физику:



Рисунок 3. Структура физики

Изучая физику, мы будем иметь дело с физическими величинами. Необходимо ясно представлять себе, что такое физическая величина, чем она отличается от математической иди от величин, рассматриваемых в других науках. Физическую величину с помощью специальных средств измеряют для нахождения её значения в принятых единицах. Если единицы физических величин выбирать произвольно, возникнут трудности при их сравнении. Поэтому применяют стандартные системы единиц. В настоящее время обязательной к применению является СИ - Система Интернациональная, которая строится на семи основных единицах — метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, моль, кандела — и двух дополнительных — радиан и стерадиан.

Метр (м) —длина пути, проходимого светом в вакууме за 1/299792458 с.

Килограмм (кг) — масса, равная массе международного прототипа килограмма (платиноиридиевого цилиндра, хранящегося в Международном бюро мер и весов в Севре, близ Парижа).

Секунда (с) — время, равное 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.

Ампер (А) — сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м один от другого, создает между этими проводниками силу, равную 2∙10^-7 Н на каждый метр длины.

Кельвин (К) — 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды².

Моль (моль) — количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько атомов содержится в нуклиде ¹²С массой 0,012 кг.

Кандела (кд) — сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540∙10¹² Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср. (Раньше это определение исходило из люмена, кандела – сила света точечного источника в направлениях, где он испускает световой поток 1 лм, одинаково распределённый в телесном угле 1 ср).

Радиан (рад) — угол между двумя радиусами окружности, длина дуги между которыми равна радиусу.

Стерадиан (ср) — телесный угол с вершиной в центре сферы, вырезающий на поверхности сферы площадь, равную площади квадрата со стороной, равной радиусу сферы.

Для установления производных единиц используют физические законы, связывающие их с основными единицами. Например, из формулы равномерного прямолинейного движения v = s/t (s - пройденный путь, t - время) производная единица скорости получается равной 1 м/с.

1. Физические основы механики

Окружающий нас мир, всё существующее вокруг нас и обнаруживаемое нами посредством ощущений представляет собой материю. В настоящее время известны два вида неживой материи – вещество и поле. Неотъемлемым свойством материи и формой её существования является движение. Движение в широком смысле слова — это всевозможные изменения материи — от простого перемещения до сложнейших процессов мышления. Движение несотворимо и неуничтожимо, как и сама материя. Материя существует и движется в пространстве и во времени, которые являются формами бытия материи.

Механическое движение — это изменение в пространстве с течением времени взаимного расположения тел или их частей.

Механика — часть физики, которая изучает закономерности механического движения и причины, вызывающие или изменяющие это движение.

Механика делится на три раздела: 1) кинематику; 2) динамику; 3) статику.

Кинематика изучает движение тел, не рассматривая причины, которые это движение обусловливают.

Динамика изучает законы движения тел и причины, которые вызывают или изменяют это движение.

Статика изучает законы равновесия системы тел. Если известны законы движения тел, то из них можно установить и законы равновесия. Поэтому законы статики отдельно от законов динамики физика не рассматривает.

Развитие механики как науки начинается с III в. до н. э., когда древнегреческий ученый Архимед (287—212 до н. э.) сформулировал закон равновесия рычага и законы равновесия плавающих тел. Основные законы механики установлены итальянским физиком и астрономом Г. Галилеем (1564—1642) и окончательно сформулированы английским ученым И. Ньютоном (1643—1727).

Механика Галилея — Ньютона называется классической механикой. В ней изучаются законы движения макроскопических тел, скорости которых малы по сравнению со скоростью света в вакууме. Законы движения макроскопических тел со скоростями, сравнимыми со скоростью с, изучаются релятивистской механикой, основанной на специальной теории относительности, сформулированной А.Эйнштейном (1879—1955). Для описания движения микроскопических тел (отдельные атомы и элементарные частицы) законы классической механики неприменимы — они заменяются законами квантовой механики.

1. Кинематика. Основные понятия кинематики

Основной задачей кинематики является нахождение положения тела в любой момент времени, если известны его положение, скорость и ускорение в начальный момент времени.

Механическое движение относительно. Движение одного и того же тела относительно разных тел оказывается различным. Для описания движения тела нужно указать, по отношению к какому телу рассматривается движение. Это тело называют телом отсчёта. Оно считается неподвижным (для данной задачи).

Положение тела в пространстве описывается с помощью системы координат. Реальное пространство трёхмерно, и положение материальной точки в любой момент времени полностью определяется тремя числами — её координатами в выбранной системе отсчета.

Как правило, используют прямоугольную, или декартову, систему координат³. Для описания движения точки, кроме тела отсчёта и системы координат, необходимо ещё иметь часы – устройство, с помощью которого можно измерять различные отрезки времени.

Тело отсчёта, система координат и связанные с ней часы образуют систему отсчета.



Рисунок 4. Система отсчёта

OX — ось абсцисс, OY — ось ординат, OZ — ось аппликат.

Возьмем какую-нибудь точку в пространстве, М (x, y, z). Здесь x, y, z – координаты точки М в данной системе координат. Проведем из начала координат к точке М вектор . Этот вектор называется радиус–вектором точки М.



Рисунок 5. Точка и её координаты

Положение точки M в данный момент вре­мени в выбранной системе отсчёта ха­рактеризуется тремя координатами х, у и z или радиус-вектором , проведен­ным из начала системы координат в дан­ную точку (рис. 5).

Единичным вектором или ортом называется вектор, длина которого равна единице и который направлен вдоль какой-либо координатной оси.

Единичный вектор, направленный вдоль оси x,обозначается . Единичный вектор, направленный вдоль оси y, обозначается . Единичный вектор, направленный вдоль оси z, обозначается . 

Вектора   , , называются координатными векторами. Радиус-вектор точки М можно представить в виде суммы произведений ортов на соответствующие координаты точки М:





Рисунок 6. Орты и радиус-вектор точки.

Механика для описания движения тел в зависимости от условий конкретных задач использует разные физические модели. Простейшей моделью является матери­альная точка — тело, обладающее массой, размерами которого в данной задаче мож­но пренебречь. Понятие материальной точ­ки — абстрактное, но его введение облег­чает решение практических задач. Напри­мер, изучая движение планет по орбитам вокруг Солнца, можно принять их за мате­риальные точки.

Произвольное макроскопическое тело или систему тел можно мысленно разбить на малые взаимодействующие между со­бой части, каждая из которых рассматри­вается как материальная точка. Тогда изучение движения произвольной системы тел сводится к изучению системы матери­альных точек. В механике сначала изуча­ют движение одной материальной точки, а затем переходят к изучению движения системы материальных точек.

Под воздействием тел друг на друга тела могут деформироваться, т. е. изме­нять свою форму и размеры. Поэтому в механике вводится еще одна модель — абсолютно твердое тело. Абсолютно твер­дым телом называется тело, которое ни при каких условиях не может деформиро­ваться и при всех условиях расстояние между двумя точками (или точнее между двумя частицами) этого тела остается по­стоянным.

Любое движение твердого тела можно представить как комбинацию поступатель­ного и вращательного движений. Поступа­тельное движение — это движение, при котором любая прямая, жестко связанная с движущимся телом, остается параллель­ной своему первоначальному положению. При поступательном движении все точки тела описывают одинаковые траектории и в любой момент времени имеют одинаковые скорости и ускорения. Поэтому для описания такого движения тела достаточно описать движение его одной произвольной точки.

Вращательное движение — это движение, при котором все точки тела движутся по окружностям, центры которых лежат на одной и той же прямой, называемой осью вращения.

Линия, которую описывает движущееся тело в определенной системе отсчета, называется траекторией. На практике форму траектории задают с помощью математических формул (y = f(x) — уравнение траектории) или изображают на рисунке. Вид траектории зависит от выбора системы отсчета. Например, траекторией тела, свободно падающего в вагоне, который движется равномерно и прямолинейно, является прямая вертикальная линия в системе отсчета, связанной с вагоном, и парабола в системе отсчета, связанной с Землей.

В зависимости от вида траектории различают прямолинейное и криволинейное движение.

В зависимости от скорости различают равномерное (скорость не изменяется) и неравномерное (ускоренное, равноускоренное, прерывистое) движение.

Схематично это можно представить так:



Рисунок 7. Механическое движение

Путь s — скалярная физическая величина, определяемая длиной траектории, описанной телом за некоторый промежуток времени. Путь всегда положителен: s > 0.

Перемещение  тела за определенный промежуток времени — направленный отрезок прямой, соединяющий начальное (точка M₀) и конечное (точка М) положение тела (см. рис. 8):



где  и  — радиус-векторы тела в эти моменты времени.



Рисунок 8. Путь и перемещение

Проекция перемещения на ось Ox: , где x₀ и x — координаты тела в начальный и конечный моменты времени.

Модуль перемещения не может быть больше пути: .

Знак равенства относится к случаю прямолинейного движения, если направление движения не изменяется.

Зная перемещение и начальное положение тела, можно найти его положение в момент времени t:





Если бы мы рассматривали движение тела в пространстве, добавилось бы третье уравнение:

,

Таким образом, изменения радиус-вектора описываются функцией координат и времени:



Скорость — мера механического состояния тела. Она характеризует быстроту изменения положения тела относительно данной системы отсчета и является векторной физической величиной.

Часто бывают важны усреднённые значения физических величин. Для их обозначения используется знак ¯ или < >.

Средняя скорость  — векторная физическая величина, численно равная отношению перемещения к промежутку времени, за который оно произошло, и направленная вдоль перемещения (рис. 7):





Рисунок 9. Скорость

В СИ единицей скорости является метр в секунду (м/с).

Средняя скорость, найденная по этой формуле, характеризует движение только на том участке траектории, для которого она определена. На другом участке траектории она может быть другой.

Иногда пользуются средней скоростью пути: , где s — путь, пройденный за промежуток времени Δt. Средняя скорость пути — это скалярная величина.

Мгновенная скорость  тела — скорость тела в данный момент времени (или в данной точке траектории). Она равна пределу, к которому стремится средняя скорость за бесконечно малый промежуток времени . Здесь  — производная от радиус-вектора по времени.

Мгновенная скорость , таким образом, есть векторная величина, равная первой производной радиуса-вектора движущей­ся точки по времени.

В проекции на ось Ох:



Аналогичные формулы можно записать для проекций вектора скорости на другие оси.

Мгновенная скорость тела направлена по касательной к траектории в каждой ее точке в сторону движения (см. рис. 9).



Рисунок 10

Ускорение — векторная физическая величина, характеризующая быстроту изменения скорости. Оно показывает, на какую величину изменяется скорость тела за единицу времени.

Среднее ускорение — физическая величина, численно равная отношению изменения скорости ко времени, за которое оно произошло:



Вектор  направлен параллельно вектору изменения скорости  () в сторону вогнутости траектории (рис. 8).

Мгновенное ускорение:



В СИ единицей ускорения является метр на секунду в квадрате (м/с²).

В общем случае мгновенное ускорение направлено под углом к скорости. Зная траекторию, можно определить направление скорости, но не ускорения. Направление ускорения определяется направлением равнодействующей сил, действующих на тело.

При прямолинейном движении с возрастающей по модулю скоростью (рис. 9, а) векторы  и  сонаправлены () и проекция ускорения на направление движения положительна.

При прямолинейном движении с убывающей по модулю скоростью (рис. 9, б) направления векторов  и  противоположны () и проекция ускорения на направление движения отрицательна.



Рисунок 11

Вектор  при криволинейном движении можно разложить на две составляющие, направленные вдоль скорости  и перпендикулярно скорости  (рис. 10),  — тангенциальное ускорение, характеризующее быстроту изменения модуля скорости при криволинейном движении,  — нормальное ускорение, характеризующее быстроту изменения направления вектора скорости при криволинейном движении. Модуль ускорения .



Рисунок 12

Длина пути, пройденного точкой за промежуток времени от t₁ до t₂, определяется интегралом



В случае равномерного движения число­вое значение мгновенной скорости посто­янно; тогда это выражение примет вид