Курс лекций для бакалавров

Лекция 1

Предмет физики. Физические модели: материальная точка, абсолютное твердое тело.

Механическое движение. Классификация движений.

Основная задача механики.

Кинематические характеристики поступательного движения твердого тела и материальной точки: перемещение, путь, скорость, ускорение ( полное ускорение, тангенциальное и нормальное ускорения).

Угловые кинематические характеристики движения: Угол поворота, угловая скорость, угловое ускорение. Связь линейных и угловых кинематических характеристик.

Предмет физики

Физика – это наука о природе, но ведь такие науки, как химия, астрономия, биология, медицина тоже изучают природу. Прежде всего, физика изучает неживую природу, поэтому ее трудно спутать с биологией, хотя открытие двойной спирали ДНК, «главной молекулы», было сделано в физической лаборатории. Это открытие определило пути развития молекулярной биологии, призванной ответить на вопрос: что такое жизнь?

Физика изучает фундаментальную структуру материи.

Именно благодаря тому, что физика изучает элементарные системы, она является основой практически всех естественных наук. Например, квантовая теория позволила химикам объяснить химическое строение вещества, законы распространения звука помогают геологам изучать земные недра. Физическими методами исследования пользуются ученые практически всех областей науки.

Огромную роль играет физика и в технике. В физических лабораториях проводятся опыты, результаты которых затем используются при создании приборов и методов исследования во многих областях техники, в частности в строительстве. Исследования физических свойств строительных материалов, таких как упругость, прочность, тепло- и влагопроводность позволяет правильно решить инженерные задачи прочности сооружений, теплоустойчивости зданий. Законы гидродинамики позволяют рассчитать воздушный режим зданий и сооружений и т.д. Трудно найти проблему в строительстве не связанную с физикой. Широко используются физические методы исследования – моделирование процессов, теории размерности и подобия.

Физика учит правильности обработки экспериментальных данных, подходу к точности измерения и теории, обобщению результатов исследования.

В физике вводятся физические величины, устанавливается между ними связь, то есть формулируется закон, которым затем пользуются инженеры. Нет абсолютно точных законов, как и нет абсолютно точных измерений.

У каждого закона есть пределы применимости. Так, широко известен закон Ома – сила тока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению:

Однако этот закон справедлив не для всех проводников. Например, он неприменим для ионизованного газа. Кроме того, им можно пользоваться только в определенном интервале значений силы тока, в котором можно считать сопротивление постоянным. На самом деле, при протекании тока, проводник нагревается, сопротивление проводника увеличивается, и сила тока будет отличаться от расчетной по приведенной формуле.

Целью физики является такое описание физического явления, которое бы, в конечном счете, сводилось к соотношению между числами. Английский физик Дж. Клерк Максвелл говорил: «Точные науки стремятся к тому, чтобы свести загадки природы к определению некоторых величин путем операций с числами».

Физика способствовала развитию многих областей математики.

Например, И. Ньютон создал дифференциальное и интегральное исчисление, пытаясь написать уравнения движения тел.

Математика иногда является не только вспомогательным инструментом для формулировки законов, но и способствует их открытию. Так, стремление к простоте математического описания позволило австрийскому физику Э. Шредингеру записать уравнение, которому подчиняется мир атомов.

Несмотря на множество теорий, существующих в настоящее время, физика продолжает бурно развиваться. Каждый новый эксперимент позволяет усовершенствовать теорию, некоторые эксперименты заставляют вообще отказаться от определенных представлений (так было с теорией теплорода). Между теорией и экспериментом существует неразрывная связь, непрерывное взаимодействие. Так, мы уже сказали, что как теория подтверждается экспериментом, так и направление экспериментальной деятельности, постановка новых экспериментов диктуются теорией.

Одной из современных проблем физики является проблема, из чего состоят все тела, т.е. проблема первоматерии; основной здесь вопрос – это вопрос о составе элементарных частиц, которых в наше время обнаружено множество, кроме этого неизменен интерес к проблеме происхождения Вселенной. В настоящее время мы наблюдаем бурное развитие физики, исследования на Большом адроном коллайдере в Церне приблизили физиков к подтверждению Стандартной модели, объединяющей три вида взаимодействия.

Конечно, еще многие вопросы физики остаются открытыми, однако практически относительно каждой проблемы высказаны рабочие гипотезы, сделаны предположения. Процесс изучения физики во многом повторяет исторический ход развития этой науки. Поэтому каждый раз, начиная изучение физики с механики, мы снова вводим известные понятия, но уже, находясь на новой ступени познания, позволяющей глубже и тоньше понимать законы природы.

Физические модели: материальная точка, абсолютное твердое тело

Под моделью понимается некоторое упрощенное описание реального объекта или явления, которое достаточно для того, чтобы их понять. Модель должна сохранять те свойства реального объекта, которые определяют его поведение. Очевидно, что проблема становится более понятной с помощью конкретных образов, именно поэтому модель чаще всего бывает механической. Например, движение молекул газа наглядно можно представить как движение упругих шариков. При усложнении задачи усложняется и модель.

Одна из первых моделей, которой мы будем пользоваться, – это материальная точка, т. е. тело, размерами и формой которого можно пренебречь в условиях данной задачи. Последние слова являются ключевыми: именно условия конкретной задачи позволяют применить данную модель.

Так, камень, брошенный вертикально вверх, мы можем рассматривать как материальную точку при оценке высоты его подъема, времени полета, скорости и т. д. При этом мы, как правило, пренебрегаем сопротивлением воздуха, т. е. пользуемся грубой моделью, которая, однако, позволяет получить желаемый результат. Но, если рассматривать движение капли дождя в воздухе, мы должны при определении тех же физических величин учитывать изменение формы капли, сопротивление воздуха, так как именно движение воздуха может стать фактором, определяющим траекторию ее движения.

Сначала, когда данных мало, модель, как правило, получается грубой, по мере накопления экспериментальных фактов модель уточняется. Все же отметим, что иногда для ответов на некоторые важные вопросы можно остановиться и на примитивной модели.

Второй моделью, которой мы пользуемся в механике, это абсолютно твердое тело.

Абсолютно твердым телом называется тело, расстояние между любыми двумя точками которого остается постоянным при его движении.

Эти две модели позволяют не рассматривать деформацию тел при их движении.

Механическое движение. Классификация движений

В разделе физики «Механика» изучаются механическое движение, условия и причины, вызывающие данное движение, а также условия равновесия тел.

Механическим движением называется изменение положения тела или его частей относительно других тел с течением времени.

Всякое движение относительно. Характер движения зависит от того, относительно каких тел мы рассматриваем данное движение.

Тело, относительно которого мы рассматриваем положение других тел в пространстве, называется телом отсчета.

Системой отсчета называют систему координат, связанную с телом отсчета, и выбранный метод отсчета времени, т.е. часы. Выбор системы отсчета зависит от условий данной задачи.

Движение реальных тел, как правило, сложное. Поэтому для упрощения решения задач пользуются законом независимости движений: всякое сложное движение можно представить как сумму независимых простейших движений.

К простейшим движениям относятся поступательное и вращательное.

Поступательным называется движение, при котором отрезок, соединяющий любые две точки твердого тела, перемещается при движении параллельно самому себе. Из этого следует, что все точки тела при поступательном движении движутся одинаково, т.е. с одинаковыми скоростями, ускорениями и по одинаковым траекториям. Траектория – линия, описываемая при движении материальной точкой в пространстве.

Вращательным называется движение, при котором все точки абсолютно твердого тела движутся по окружностям, центры которых лежат на одной прямой, называемой осью вращения, причем эти окружности лежат в плоскостях, перпендикулярных оси вращения.

Пользуясь законом независимости движений, сложное движение твердого тела можно рассматривать как сумму поступательного и вращательного движений.

На рис.1.1 показано движение карандаша. Переход из положения A₁B₁ (начальное положение) в положение A₂ B₂ (конечное) можно рассматривать как сумму двух движений: поступательного (в положение A₂B') и вращательного.

Рис. 1.1