Предисловие

Курс лекций составлен на основе многолетнего опыта чтения лекций по курсу физики автором в ГГТУ имени П. О. Сухого для студентов дневной и заочной форм обучения машиностроительных специальностей и написан в соответствии с требованиями Образовательных стандартов и типовых учебных планов специальностей. Данный курс лекций не заменяет учебника по физике, а является дополнением к нему и предназначен для систематизации знаний, полученных во время лекционных и лабораторно-практических занятий, а также служит пособием для успешной сдачи экзаменов. В нем сжато и лаконично рассмотрены основные определения физических понятий и величин, сформулированы физические законы и закономерности, прослежена логическая связь между рассматриваемыми явлениями и понятиями. После рассмотрения теоретического материала каждая глава заканчивается набором качественных вопросов и задач. Такая структура пособия позволит использовать его при проведении практических, семинарских и лабораторных занятий, а также для самостоятельной работы студентов в течение всего семестра и, особенно, при подготовке к экзаменам. Математические знания, необходимые для работы с пособием, соответствуют уровню обычного курса высшей математики технических университетов.

Автор рассчитывает на то, что и преподаватели кафедры найдут в курсе лекций много полезного для своей работы, выделяя те разделы, которые являются существенными для конкретной специальности, или, напротив, опуская менее значимый материал, который может быть рекомендован студентам для дополнительного изучения.

В заключение автор выражает искреннюю благодарность Беляевой Р.В. за помощь в подготовке и оформлении текстового и графического материала пособия.

Введение

Физика есть наука, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие закономерности явлений природы, свойства и строение материи и законы ее движения.

В настоящее время известны два вида неживой материи: вещество и поле. К первому виду материи – веществу – относятся, например, атомы, молекулы и все состоящие из них тела. Второй вид материи образуют электромагнитные, гравитационные и другие поля. Различные виды материи могут превращаться друг в друга. Так, например, электрон и позитрон (представляющие собой вещество) могут превращаться в фотоны (т.е. в электромагнитное поле). Возможен и обратный процесс.

Материя находится в непрерывном движении, под которым понимается всякое изменение вообще. Движение представляет собой неотъемлемое свойство материи, которое несотворимо и неуничтожимо, как и сама материя. Материя существует и движется в пространстве и во времени, которые являются формами бытия материи.

Физические законы устанавливаются на основе обобщения опытных фактов и выражают объективные закономерности, существующие в природе. Эти законы обычно формируются в виде количественных соотношений между различными физическими величинами.

Основным методом исследования в физике является опыт, т. е. наблюдение исследуемого явления в точно контролируемых условиях, позволяющих следить за ходом явления и воссоздать его каждый раз при повторении этих условий.

Для объяснения экспериментальных данных привлекаются гипотезы. Гипотеза – это научное предположение, выдвигаемое для объяснения какого-либо факта или явления и требующее проверки и доказательства для того, чтобы стать научной теорией или законом. Правильность высказанной гипотезы проверяется посредством постановки соответствующих опытов, путем выяснения согласия следствий, вытекающих из гипотезы, с результатами опытов и наблюдений. Успешно прошедшая такую проверку и доказательства гипотеза превращается в научную теорию или закон.

Физическая теория – представляет собой систему основных идей, обобщающих опытные данные и отражающих объективные закономерности природы. Физическая теория дает объяснение целой области явлений природы с единой точки зрения.

Глава 1 Кинематика материальной точки и поступательного движения твердого тела

§ 1.1. Основные понятия

Механика есть раздел физики изучающий перемещение одного тела или группы тел относительно другого тела и причины его вызывающие. Классическая механика ограничивается рассмотрением макроскопических тел, движущихся со скоростями V, значительно меньшими скорости света c в вакууме, км/c. Исследование движения тел со скоростями, сравнимыми со скоростью света в вакууме, является предметом теории относительности. Нерелятивистская квантовая (или волновая) механика рассматривает механику электронов и ядер, движущихся с нерелятивистскими скоростями в вакууме, атомах, молекулах и кристаллах, а также взаимодействие этих частиц с электромагнитными волнами, например, со светом. Элементарные частицы с большими энергиями и релятивистскими скоростями изучаются в релятивистской квантовой механике и квантовой теории поля.

Классическая механика содержит три раздела: статику, или учение о силах, кинематику, или учение о формах движения, и динамику, или учение о влиянии сил на движение тел.

Классическая механика не рассматривает вопросы, связанные с внутренней структурой тел и природой их взаимодействия. Для решения задач, стоящих перед классической механикой, она ограничивается рассмотрением соответствующих модельных тел, таких как материальная точка, абсолютно твердое тело, упругое тело, несжимаемая невязкая жидкость, и т. п.

Материальная точка – тело, размерами которого в условиях данной задачи можно пренебречь. Введение этого понятия облегчает решение практических задач (например, движущиеся вокруг Солнца планеты при расчетах можно принять за материальные точки).

Система материальных точек или тел – мысленно выделенная совокупность материальных точек или тел, которые взаимодействуют как друг с другом, так и с телами, не включенными в состав системы.

Абсолютно твердое тело – тело, расстояние между любыми точками которого с течением времени не меняется.

Важнейшими единицами механики являются метр, килограмм и секунда. Эти же единицы являются базисными единицами Международной системы единиц (СИ), которая используется в данном пособии. Другие физические величины, являющиеся производными от базисных, приведены в Приложении 1.

Время – под временем t понимается свойство материальных процессов иметь определенную длительность, следовать друг за другом в определенной последовательности.

Начало отсчета – реальное физическое тело или условное абсолютно твердое тело, относительно которого определяется положение изучаемых материальных точек или физических тел в пространстве и времени.

Системе отсчета – начало отсчета, связанная с ним система координат и часы, по отношению к которым определяется пространственное и временное положение других тел механической системы.

Траектория – линия, которую описывает материаль­ная точка М при своем движении. В общем случае тра­ектория представляет собой кривую линию.

Путь – расстояние между двумя заданными точками 1 и 2 траектории, отсчитанное вдоль нее.

Перемещение – вектор, проведенный из начальной точки 1 в заданную точку 2 траектории.