МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

ФІЗИКА

та фізичні методи дослідження

Рекомендовано Міністерством освіти і науки України

як навчальний посібник для студентів

технологічних спеціальностей вищих навчальних закладів

Київ 2007

УДК: 53(075)

ББК 22.3я7

А50

Рецензенти: О.Д. Альохін, д-р фіз.-мат. наук, професор фізичного факультету Київського національного університету ім. Тараса Шевченка

А.К. Дорош, доктор хімічних наук, професор, зав. кафедри репрографії СПІ НТТУ „КПІ”

М.А. Рехтета, канд. фіз.-мат. наук, доцент, зав. кафедри фізики та астрономії Миколаївського державного університету ім. В.О. Сухомлинського

Рекомендовано Міністерством освіти і науки України як навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів (лист Міністерства освіти і науки України №1,4/18-Г-1413 від28.12.06).

Азнаурян І.О. Фізика та фізичні методи дослідження матеріалів:

А50 Навчальний посібник. − К.: КНУБА, 2007. − 240 с.

ISBN 966-627-130-3

У посібнику розглянуто основні питання загального курсу фізики з розділів „Механіка” та „Молекулярна фізика”. Особливу увагу приділено темам курсу, які мають прикладне значення в професійній підготовці спеціалістів у будівництві та торгівлі.

У розділах 2 та 3 посібника наведено методи фізичних досліджень сировини та матеріалів, які дають змогу студентам більш глибоко засвоїти питання курсу та підготувати їх до засвоєння подальших спеціалізованих дисциплін.

Призначений для студентів вищих навчальних закладів, які вчаться за напрямом 0503 „Торгівля”.

УДК: 53(075)

ББК 22.3я7

© І.О. Азнаурян, 2007

ISBN 966-627-130-3 © КНУБА, 2007

ЗМІСТ

П

Передмова 5

Розділ 1. Вступ до дисципліни „Фізика” 7

1.1. Предмет фізики. Зв’язок фізики з іншими науками. Взаємозв’язок фізики та техніки 7

1.2. Загальні методи наукового пізнання 9

1.3. Фізичні методи досліджень 15

1.4. Фізичні величини та їх вимірювання. Міжнародна система одиниць 17

Розділ 2. Механіка 25

2.1. Предмет механіки. Класична, релятивістська та квантова механіки.Простір та час 25

2.2. Кінематика 26

2.2.1. Фізичні моделі механіки. Системи відліку. Переміщення, шлях. Рівняння руху матеріальної точки 26

2.2.2. Швидкість та прискорення. Нормальне та тангенціальне прискорення 28

2.2.3. Поступальний та обертальний рухи. Рух по колу. Кутова швидкість та кутове прискорення, їх зв’язок з лінійними величинами. Рівняння руху точки по колу 30

2.3. Динаміка. 32

2.3.1. Закони Ньютона. Сила. Маса. Центр мас. Iнерцiальнi системи відліку. Імпульс 32

2.3.2. Закон збереження імпульсу. Рух тіл змінної маси 35

2.3.3. Динаміка обертального руху Момент сили. Момент інерції. Момент імпульсу. Закон динаміки обертального руху. Закон збереження моменту імпульсу 39

2.4. Статика 42

2.4.1. Умови рівноваги твердого тіла. Центр ваги. Види рівноваги 42

2.5. Енергія, робота та потужність 44

2.5.1. Енергія та робота. Потужність. Кінетична енергія поступального та обертального рухів 45

2.5.2. Потенціальна енергія. Консервативні сили та потенціальні системи. Потенціальна енергія матеріальної точки у полі тяжіння. Енергія пружно деформованого тіла 49

2.5.3. Закон збереження енергії у механіці. Пружний та не пружний удари тіл та частинок 51

2.5.4. Гравітаційне поле та його характеристики. Зв’язок напруженості поля з його потенціалом 54

2.6. Елементи механіки суцільних середовищ 57

2.6.1. Механічні властивості твердих тіл. Види деформацій, пружність та повзучість. Закони Гука 57

2.6.2. Механічні властивості рідин та газів. Рівняння нерозривності та Бернуллі для стаціонарної течії ідеальної рідини 62

2.6.3. Течія рідин та газів по трубах. Ламінарна та турбулентна течії. Сили в’язкого тертя. Рух твердих тіл у рідинах та газах 65

Контрольні запитання до розділу „Мехніка” 68

Передмова

Шановний студенте, майбутній спеціаліст або вчений! Ви тримаєте в руках навчальний посібник, який є першою частиною курсу фізики – „Механіка, молекулярна фізика та термодинаміка”. Структура його така – це теоретична частина, в якій викладено основи загальної фізики, та практична частина, в якій наведено деякі фізичні методи та засоби дослідження властивостей будівельних матеріалів та промислових товарів.

Сучасна фізика є широко розвиненою і розгалуженою наукою. Загально відомо, що вона є однією з найважливіших стратегічних галузей сучасного природознавства, її наукові напрями та розвиток техніки мають багато спільного. Знання характерних особливостей фізики як науки дає можливість більш ефективно використовувати її методи і концепції для дослідження властивостей сировини, матеріалів та конструкцій, покращання технології виробництва в усіх галузях народного господарства.

Фізика є наукою експериментальною. Прогрес науки і техніки дає змогу розширити області фізики, які раніше були недоступними для дослідження. На основі результатів фізичних експериментів формулюються фізичні закони, кожний з яких має певну область застосування. Фізичні закони, які відображають істотне, загальне, необхідне, стійке, повторюване відношення між явищами об’єктивної дійсності, що найбільш широко застосовуються, називаються фундаментальними. Однак поряд з ними у фізиці використовуються також і емпіричні закономірності, які не претендують на пояснення механізму досліджуваного фізичного процесу, структури досліджуваних об’єктів. Крім того, для вивчення якого-небудь явища часто застосовуються різні моделі. Тому при викладі матеріалу в посібнику розглядаються як фундаментальні закони, так і емпіричні співвідношення, а також використані моделі: матеріальної точки, математичного маятника, ідеального газу, абсолютно чорного тіла, моделі атомного ядра та інші.

Фізика є дослідною наукою. Дослід, поряд із спостереженням, є формою емпіричного пізнання об’єктивної дійсності, одним з основних методів наукового дослідження.

Наукове спостереження полягає в цілеспрямованому і планомірному сприйманні властивостей предметів і явищ дійсності для одержання відповідної інформації про об’єкт пізнання за допомогою органів чуттів. В реалізації наукового спостереження значну роль відіграє теоретичне мислення. Дослідник є не просто регістратором фактів. Він свідомо відшукує їх, керуючись певною ідеєю, гіпотезою тощо. Результати наукових спостережень відповідно інтерпретуються на основі певної теорії. У наукових спостереженнях широко використовуються спеціальні засоби (мікроскопи, телескопи, фото- і телеапарати і т. д.), які компенсують відповідну природну обмеженість органів чуттів людини, підвищують точність і об’єктивність результатів спостереження.

Спостереження можна поділити на безпосередні (прямі) та опосередковані. Останні відіграють досить важливу роль у сучасній фізиці. При опосередкованих вимірюваннях спостерігається власне не сам об’єкт або процес, а ефект його взаємодії з іншими об’єктами або процесами. Наприклад, спостереження заряджених елементарних частинок у камері Вільсона (або в іншому приладі) за їхніми треками, які являють собою сукупності краплинок рідини.

Експеримент ґрунтується на забезпеченні відтворення явища в штучній (лабораторній) обстановці (йдеться також про забезпечення активного впливу на хід явищ та процесів) і супроводиться точними, по можливості, вимірюваннями та математичною обробкою даних. Родоначальником експерименту у фізиці слід вважати Галілея. За структурою експеримент суттєво відрізняється від спостереження наявністю спеціальних матеріальних засобів (експериментальних установок і приладів) впливу на досліджувані об’єкти або процеси. Фізичний експеримент як метод дослідження набуває дальшого поширення у суміжних з фізикою дисциплінах, особливо в хімії, астрономії, біології і т. д.

Для висвітлення кількісних співвідношень у фізиці широко використовується математичний апарат. У даному посібнику теоретичний матеріал викладено лаконічно, але й за допомогою диференціального та інтегрального числення, виведено основні фізичні закономірності, частина з яких має якісно-теоретичний характер.

На відміну від більшості навчальних посібників з курсу загальної фізики в даному посібнику (розділи 3 та 5) приділено особливу увагу описанню приладів, експериментальних установок та методів вимірювання, що дозволяє реалізувати одну з основних тенденцій розвитку сучасної вищої школи – взаємному проникненню фундаментальних та спеціальних наук. Викладений у цих розділах матеріал демонструє студентам, яким чином фізичні закони та явища знаходять застосування при створенні сучасних методів контролю та управління технологічними характеристиками будівельних матеріалів, промислових товарів тощо.

В посібнику наведено основні відомості про видатних фізиків з світовим ім’ям, які внесли неоцінимий вклад у розвиток науки про природу, створили фундаментальні закони, що стали базою для розвитку не тільки техніки, а й таких наук як хімія, біологія, космонавтика, ядерна енергетика тощо.

Навчальний посібник написано відповідно до програми курсу фізики для інженерно-технічних вищих навчальних закладів, затвердженої Міністерством освіти і науки України.

Автор висловлює глибоку вдячність викладачам кафедри фізики КНУБА, завідувачу кафедрою фізики доценту, канд. техн. наук В.І. Клапченку, доценту, канд. фіз.-мат. наук Г.Д. Потапенку за значну допомогу у створенні даного навчального посібника.