Физика

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Пермский государственный технический университет»

Г. Н. Вотинов, А. В. Перминов

ФИЗИКА

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

Под общей редакцией доктора технических наук, профессора А. И. Цаплина

Издательство Пермского государственного технического университета

2008

ОГЛАВЛЕНИЕ

3

ВВЕДЕНИЕ

Физика — наука, изучающая наиболее общие закономерности явлений природы, свойства и строение материи, и законы ее движения.

Физические законы устанавливаются на основе обобщения опытных фактов и выражают закономерности, существующие в природе.

Эти законы обычно формулируются в виде количественных соотношений между различными физическими величинами.

Для объяснения экспериментальных данных привлекаются гипотезы. Гипотеза — научное предположение, выдвигаемое для объяснения какого-либо факта или явления и требующее проверки и доказательства

для того, чтобы стать научной теорией èëè законом.

Правильность высказанной гипотезы проверяется постановкой соответствующих опытов.

Успешно прошедшая такую проверку и доказанная гипотеза превращается в научную теорию èëè закон.

Физическая теория представляет собой систему основных идей, обобщающих опытные данные и отражающих закономерности явлений природы.

Физическая теория дает объяснение целой области явлений природы с единой точки зрения.

5

Часть I

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФИЗИКИ

1. МЕХАНИКА

Механика — раздел физики, в котором изучается механическое движение.

Механическое движение — изменение положения данного тела (или частей тела) относительно других тел, происходящее во времени и пространстве.

1.1. Кинематика

Кинематика — раздел механики, в котором изучается механическое движение как геометрическое перемещение в пространстве.

Кинематика точки

Материальная точка — тело, размеры которого несущественны (ими можно пренебречь) в рамках какой-либо конкретной задачи.

Абсолютно твердое тело — тело, у которого расстояние между любыми двумя его точками неизменно.

Поступательное движение абсолютно твердого тела — движение, при котором любая прямая, неизменно связанная с телом, перемещается параллельно самой себе.

Число степеней свободы N — число независимых координат, с помощью которых можно задать положение тела в пространстве.

Примеры:

1) точка в трехмерном пространстве имеет три независимых координаты: т. A(x, y, z), следовательно, N = 3;

6

2)две жестко связанные точки (гантель) задаются шестью координатами, но независимыми являются только пять, т. к. на точки наложена одна связь — неизменность расстояния между точками (шестую координату можно определить из этого условия). Таким образом, N = 6 – 1 = 5;

3)три жестко связанные точки, не лежащие на одной прямой. Рассуждая аналогичным образом, получаем: девять координат и три связи. N = 9 – 3 = 6. Системы с большим числом точек имеют также шесть степеней свободы, т. к. на три координаты добавленной «жестко закрепленной» точки достаточно трех связей. Таким образом, абсолютно твердое тело имеет шесть степеней свободы.

Движение относительно. Для описания движения (в пространстве

èвремени) вводится понятие системы отсчета, которое включает в себя: 1) точку отсчета; 2) систему координат; 3) ÷àñû.

Траектория — линия, вдоль которой движется точка. Ïóòü s — длина траектории, [s] = ì.

Средняя путевая скорость vñð — отношение пройденного пути к затраченному времени:

Положение тела в пространстве определяется с помощью ради-

уса-вектора r к этой точке из некоторой неподвижной точки (рис. 1.1).

Закон движения — зависи-

мость радиуса-вектора r точки от

времени:

7

Быстрота изменения скорости со временем характеризуется ускоре-

íèåì.

Средним ускорением añð называют отношение изменения вектора скорости ко времени:

Ускорение (мгновенное)

Скорость и ускорение можно разложить на составляющие:

где компоненты (проекции на координатные оси) этих векторов:

8

Модули скорости и ускорения в этом случае будут следующими:

При криволинейном движении удобно ввести естественные оси, íà-

правления которых задаются единичными векторами касательной и нормали n:

Касательным (тангенциальным) ускоре-

íèåì a называется составляющая ускорения, обусловленная изменением модуля вектора скорости:

Нормальным (центростремительным) ускорением an называется

составляющая ускорения, обусловленная изменением направления дви-

жения (т. е. вектора ):

9

Примеры движения точки по траектории:

1. Равномерное прямолинейное движение вдоль оси x:

3. Равномерное движение по окружности радиусом R:

Закон движения:

s vt.

Примечание. При поступательном движении абсолютно твердого тела скорости и ускорения всех точек равны по величине и направлению, а траектории всех точек одинаковы. Поэтому кинематику поступательно движущегося твердого тела рассматривают как кинематику точки.

10