Питання 2:Зміст і структура фізики

Курс фізики основної школи ґрунтується на пропедевтиці фізичних знань, що відбувається на більш ранніх етапах навчання. Так, у початковій школі молодші школярі на уроках з різних предметів ознайомлюються з проявами фізичних явищ природи, засвоюють початкові відомості з фізики, оволодівають елементарними навичками пізнання природи. Особливого значення тут набуває спiввiдношення сенсорного еталона величини з конкретними властивостями тіл (маса, довжина, площа, об’єм, час, температура та iн.). Зміст фізичної складової тут відображується змістовими лініями споріднених до природознавства освітніх галузей i групується навколо таких тем: людина як жива істота (нормальні умови життєдіяльності – температура, вологість, тиск, земне тяжіння, зір, слух, тактильні дії, довжина кроку тощо); мій будинок (умови побуту, побутові прилади, житлова енергетика тощо); моя вулиця, моє місто (рух транспорту); моя планета – Земля (Сонячна система, Земля i Місяць, освоєння космосу тощо).

Питання 3: Кінематика матеріальної точки. Завдання кінематики

Кінематика – це розділ механіки, що вивчає механічний рух тіл, не розглядаючи причин, які цей рух зумовлюють.

Механічний рух – це зміна з часом положення тіла в просторі відносно інших тіл.

У шкільному курсі кінематики розглядають рівномірний прямолінійний рух, рівноприскорений прямолінійний рух, рівномірний рух по колу.

Основне завдання механіки – визначити координати тіла і його швидкість у будь який момент часу.

Шляхи спрощення основного завдання механіки:

• Розглядати тіло як матеріальну точку;

• Розглядати поступальний рух тіла.

Матеріальною точкою називають тіло, розмірами якого можна знехтувати в умовах даної задачі. Матеріальна точка є фізичною моделлю.

Наприклад, якщо розлядати падіння м’яча відносно хлопчика, м’яч можно вважати матеріальною точкою, а при вивченні деформації м’яча при ударі об землю – ні.

Поступальним називають такий рух тіла, при якому будь-яка пряма, що пов’язана з тілом, переміщується паралельно собі.

Оскільки всі точки тіла рухаються однаково, його можна розглядати як матеріальну точку.

Абсолютно тверде тіло (фізична модель) – тіло, яке ні за яких умов не може деформуватися, і за всіх умов відстані між двома точками тіла залишаються сталою.

Будь-який процес може описуватися лише в певній системі відліку.

Система відліку (СВ) – це тьло відліку, пов’язана з ним система координат і засіб вимірювання часу (годинник).

Траєкторія – лінія, вздовж якої рухається тіло. Траєкторія буває прямолінійною і криволінійною.

Пройдений шлях (l) – довжина ділянки траєкторії.

Переміщення тіла ( ) називають напрямлений відрізок промої, який з’єднує початкове і кінцеве положення тіла.

Питання 4: Класичні уявлення про простір і час. Система відліку. Еталони довжини і часу. Матеріальна точка.

Рух матеріальних об'єктів відбувається в просторі й у часі. Тому уявлення про простір і час є основними поняттями не тільки класичної механіки, але й всієї фізики. Ці поняття відбивають порядок розташування одночасно співіснуючих об'єктів (простір) і послідовність існування явищ, що змінюють один одного (час). Матеріалізм підкреслює об'єктивний характер простору й часу, заперечує позачасову й поза-просторову реальність. Простір і час невід'ємні від матерії. У цьому проявляється їхня універсальність і загальність. Діалектичний матеріалізм визнає не просто зовнішній зв'язок часу й простору з матерією, що рухається, а вважає, що цей рух є сутністю часу й простору (тобто властивості їх повністю залежать від властивостей матерії, що рухається) і що, отже, матерія, рух, простір і час невід’ємні один від одного. Відзначимо, що саме ці ідеї одержують усе більше повне підтвердження в сучасній ФКС. Проте, у класичній механіці (і у всієї МКС) кількісно реалізована не діалектико-матеріалістична, а метафізична концепція, відповідно до якої час і простір існують незалежно від матеріальних процесів й окремо один від одного. Інакше кажучи, в основі МН лежать найбільш примітивні уявлення про простір і час, отримані в результаті узагальнених спостережень тільки повільних рухів макроскопічних тіл в умовах Землі. Звідси випливає, що еволюція, а на деяких етапах навіть докорінної зміни цих класичних уявлень про простір і час настільки ж закономірні, як закономірний сам процес розвитку фізики.

Для кількісного опису руху тіл необхідно попередньо арифметизувати простір і час й одержати тим самим можливість виражати будь-які просторові й тимчасові співвідношення за допомогою чисел. Для цього (пам'ятаючи про те, що фізика - наука експериментальна) потрібно вказати:

1) спосіб виміру відстаней між матеріальними точками (це можна здійснити за допомогою тих або інших еталонів довжини);

2) спосіб виміру інтервалів між різними моментами часу (для цього треба мати який-небудь годинник, тобто прилад, дія якого заснована на використанні деякого періодичного процесу, що протікає рівномірно й незалежно від інших явищ природи);

3) ту або іншу систему координат, пов'язану з тілом відліку (відносно якого описується механічна форма руху). Сукупність системи координат і годин, пов'язаних з тілом відліку, називається системою відліку (СВ) у механіці. Т. ч., користуючись надалі поняттям «СВ», ми будемо завжди мати на увазі цілком певний спосіб арифметизацїї простору й часу й спосіб виміру просторових і часових інтервалів. При цьому в класичній механіці постулюються наступні властивості простору й часу:

1) простір є тривимірним різноманіттям (у математичному понятті "різноманіття" закодована найважливіша постульована властивість простору - його неперервність, що дозволяє розглядати як завгодно малі, навіть нескінченно малі, інтервали в просторі й, використати всю потужність математичного аналізу; 3х - мірність означає, що положення будь-якої геометричної точки в просторі можна задати в довільній системі координат трьома числами); Систе́ма ві́дліку — співвідношення нерухомих одне відносно іншого тіл, відносно яких розглядається рух, і годинників, що відраховують час. Це одне з найважливіших понять, яке характеризує пізнавальний процес у фізиці. При вивченні фізичних систем і законів їх взаємодії необхідно встановити спосіб визначення положення, яке займає кожна система, і спосіб відліку моменту часу, який відповідає цьому положенню. Оскільки руху окремо взятого предмета не існує, то і його положення в певні моменти часу можна встановити тільки відносно якихось тіл, які в такому разі вважають за вихідні. Система відліку складається з вихідного тіла відліку (яке може довільно рухатися), пов'язаної з ним системи координат (наприклад, координатних осей х, у, z) з обраним початком для відліку просторового положення і з фіксованим початковим моментом для відліку часу, а також з відповідних вимірювальних засобів, зокрема масштабів і годинників. Всі просторово-часові характеристики набувають у природознавстві певного змісту (визначеності) лише відносно системи відліку. Наприкінці XVIII століття при введенні метричної системи мір був прийнятий перший еталон одиниці довжини — метр. За метр прийняли одну десятимільйонну частину Паризького меридіана.

У 1799 році на основі виміряної частини дуги меридіана був виготовлений еталон метра у вигляді платинової лінійки шириною 25 мм, товщиною 4 мм та довжиною в 1 м. Пізніше платиновий метр передали на збереження до Національного архіву Франції, який одержав назву "метра Архіву".

Повторні вимірювання дуги меридіана показали, що довжина метра дещо коротша за дійсний "природний" метр, проте Міжнародна комісія з прототипів метричної системи у 1872 році вирішила відмовитись від "природного" еталона метра і за одиницю довжини прийняла "метр Архіву".

Еталон метра — це платино-іридієва фігурна лінійка довжиною 102 см з поперечним перерізом у формі X, вписаної в уявний квадрат, сторона якого дорівнює 20 мм. На верхніх площинах Х-форми на обох кінцях лінійки проведено по 3 штрихові лінії, а одиниця довжини в 1 метр розташована між середніми штриховими лініями.

Росія у 1889 році одержала платино-іридієвий прототип метра № 28, який пізніше був затверджений як державний еталон метра в СРСР.

У 1927 році VII Генеральна конференція з мір та ваги ухвалила таке визначення метра: "Одиниця довжини метр визначається відстанню при 0 °С між осями двох середніх штрихів, нанесених на платино-іридієвому бруску, який зберігається у Міжнародному бюро мір та ваги і прийнятий за еталон метра І Генеральною конференцією з мір та ваги, за умови, що ця лінійка зберігається при нормальному атмосферному тиску і підтримується двома роликами діаметром не менше 1 см, розміщеними симетрично в одній горизонтальній площині на відстані 571 мм один від одного".

Науково-технічний прогрес потребує підвищення точності еталона одиниці довжини, тому що платино-іридієвий прототип метра неспроможний забезпечити необхідну високу точність відтворення, вищу за 0,1—0,2 мкм. До того ж назріла необхідність розроблення природного неруйнівного еталона, що обумовлює встановлення нового природного еталона метра.

У 1960 році XI Генеральною конференцією з мір та ваги було ухвалено новий хвильовий еталон метра, який виражається у довжинах світлових хвиль у вакуумі оранжевої лінії спектру криптону-86. Відповідно до рішення конференції "метр — це довжина, що дорівнює 1 650 763,73 довжин хвиль випромінювання у вакуумі й відповідає переходу між рівнями 2р10 та 5d5 атома криптону-86".

Новий еталон метра можна відтворити у метрологічних лабораторіях з точністю, яка на порядок вища від плати-но-іридієвого його прототипу, хоча на конференції підкреслювалося, що точність нового еталона є недостатньою через несиметричність випромінювання монохроматичного джерела. Вчені світу працюють над розробленням нових монохроматичних джерел випромінювання, що дасть змогу максимально підвищити точність одиниці довжини.

Місце зберігання еталона метра у колишньому СРСР — Всесоюзний науково-дослідний інститут метрології ім. Д.І. Менделєєва (ВНДІМ) (м. Санкт-Петербург). В Україні еталон метра зберігається у Харківському науково-виробничому об'єднанні "Метрологія".

За рішенням останньої Генеральної конференції з мір і ваги ухвалене таке визначення одиниці довжини метр: метр — довжина шляху, який проходить світло у вакуумі за 1/2 997 245 частину секунди.

Матеріа́льна то́чка (частинка) —це фізична модель, яку використовують замість тіла, розмірами якого в умовах даної задачі можна знехтувати.

Питання 5: Класифікація механічних рухів матеріальної точки. Способи завдання руху. Відносність руху.

По формі траєкторії механічний рух буває прямолінійний і криволінійний, по швидкості – рівномірний і нерівномірний. Для тіл, які не можна вважати матеріальними точками, рух буває поступальний і обертальний. При поступальному русі будь-яка пряма, проведена через дві точки тіла, залишається паралельною сама собі. При обертальному русі всі точки тіла описують концентричні кола, центри яких лежать на одній прямій, яка називається віссю обертання.

Рух точки можна вивчати, використовуючи будь-яку систему координат. Розглянемо три способи завдання руху: векторний, координатний і природний.

Векторний спосіб.

Розглядатимемо випадок декартової прямокутної системи координат. Рух точки відносно даної системи відліку заданий, якщо відомий радіус-вектор цієї точки як функція часу,тобто

Векторний спосіб зазвичай застосовується для теоретичного викладу кінематики точки.

Координатний спосіб.

Рух точки можна вивчати використовуючи будь-яку систему координат. Розглянемо випадок декартової прямокутної системи координат.

Рух точки задано, якщо відомі координати точки, як безперервні функції часу,тобто, такі, що двічі диференціюються.:

Рівняння руху є також рівняння траєкторії точки в параметричній формі. Параметром є час t.

Рівняння траєкторії в координатній формі виходять з рівнянь (1-2) виключенням параметра t. Виходять рівняння двох поверхонь , . Пересічення цих поверхонь дає криву в просторі – траєкторію точки.

Природний спосіб завдання руху.

При природному способі завдання руху задаються траєкторія точки і закон руху точки по траєкторії. Рух точки розглядається відносно фіксованої системи відліку.

Для завдання закону руху точки по траєкторії необхідно вибрати на траєкторії точку О, що вважається початком відліку. Крім того, необхідно задати початок відліку часу.

Функція має бути безперервною і такою,що двічі диференціюється.

Від завдання руху в декартових координатах можна перейти до його завдання природним способом. Закон руху точки по траєкторії в диференціальній формі через декартові координати виражається у вигляді і після інтегрування – в кінцевій формі.

Ще в шкільній програмі є положення про те, що будь-який рух одного тіла можна зафіксувати тільки лише відносно іншого тіла. Це положення і називають терміном «відносність руху». По картинках підручників було зрозуміло, що для стоїть на березі річки людини швидкість пливе повз човни складається з її швидкості і швидкості течії річки. Після такого детального розгляду стає ясно, що відносність руху оточує нас у всіх аспектах нашого життя. Швидкість об’єкта – величина відносна, а й похідна від неї, прискорення, також стає величиною відносною. Важливість такого висновку полягає в тому, що саме прискорення мається на складі формули другого закону Ньютона (основного закону механіки). За цим законом будь-яка сила, що впливає на тіло, дає йому пропорційне їй прискорення. Відносність руху змушує поставити додаткове запитання: відносно якого тіла надається прискорення?

У даному законі немає ніяких пояснень з цього приводу, але шляхом простих логічних умовиводів можна прийти до висновку, що, оскільки сила є мірою впливу одного тіла ( 1) на інше (2), то ця ж сила повідомляє тілу (2) прискорення щодо тіла (1), а не просто якесь абстрактне прискорення.

Відносність руху – це залежність певній траєкторії руху будь-якого тіла, певного шляху, швидкості і переміщення від обраних систем відліку. В аспекті кінематики будь застосовувані системи відліку рівноправні, але при цьому всі кінематичні характеристики цього руху (траєкторія, швидкість, переміщення) в них різні. Всі величини, що залежать від обраної системи відліку, за допомогою якої будуть проводитися їх вимірювання, називаються відносними.