osnovnye_ponjatija_i_zakony

УДК 53 ББК В31

П 53

Рецензенты:

Доктор физико-математических наук, профессор, зав. кафедрой теоретической и экспериментальной физики КГТУ А.А.Родионов Доцент кафедры теоретической и экспериментальной физики КГТУ

П.А. Красных

Полунин В.М., Сычев Г.Т.

Физика. Основные понятия и законы: Учебно-методическое пособие для студентов инженерно-технических специальностей /Курск. гос. техн. ун-т.

Курск, 2002. 156 с.

Цель настоящего учебно-методического пособия - оказать помощь студентам инженерно-технических специальностей в изучении физики. Пособие составлено в соответствии с требованиями ГОС-2000, Примерной программы дисциплины «Физика» (2000 г.) и рабочей программы по физике для студентов инженерно-технических специальностей кафедры физики КГТУ (2000 г.).

Излагаются основные понятия, определения, законы и формулы по классической механике, молекулярной физике и термодинамике, электростатике и постоянному току, электромагнитным явлениям. Работа содержит список литературы (основной и дополнительный) и выписку из рабочей программы.

Пособие предназначено для студентов инженерно-технических специальностей.

УДК 53 ББК В31

П 53

© Курский государственный технический университет, 2002 © В.М. Полунин,

Г.Т. Сычев, 2002

4

5

ОТ АВТОРОВ

Настоящее пособие составлено по материалам, наработанным авторами в процессе чтения лекций по общей физике студентам инже- нерно-технических специальностей, с относительно малым объемом аудиторных занятий, на протяжении длительного промежутка времени.

Наличие у студентов инженерно-технических специальностей данного пособия позволит им и лектору более эффективно использовать лекционное время, уделить больше внимания трудным для понимания вопросам, облегчить студентам процесс подготовки к экзамену.

Особо нуждаются в таком пособии, на наш взгляд, студенты дистанционной и ускоренной форм обучения, которые, приступая к изучению физики, имеют недостаточные навыки адекватного восприятия физических понятий, определений и законов.

Изложение материала в настоящем пособии предусматривает знание студентами физики и математики в объеме школьной программы, поэтому многие понятия в нем не раскрываются в подробностях, а используются как достаточно известные.

Предполагается также, что студенты уже изучили или изучают параллельно читаемому курсу физики соответствующий математический аппарат (дифференциальное и интегральное исчисление, анализ функций, векторную алгебру, ряды), что освобождает нас от необходимости специального рассмотрения аппарата высшей математики.

Особенностью пособия является то, что оно содержит основные понятия, определения формулы без громоздких выводов и заключений, материал представлен в нем в определенной не традиционной последовательности, содержит необходимые рисунки и пояснения.

Пособие может быть использовано студентами других форм обучения (студентами-заочниками), аспирантами и преподавателями, имеющими недостаточный опыт работы в вузе.

Авторы будут благодарны всем, кто внимательно просмотрит данное пособие и выскажет определенные замечания по существу. Кроме того, они постараются учесть все рациональные замечания со стороны коллег-физиков, аспирантов, студентов и внести соответствующие исправления и дополнения.

6

РЕКОМЕНДУЕМЫЙ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Основной

1.Савельев И.В. Курс общей физики. М.: Наука, 1989. Т. 1, 2, 3.

2.Трофимова Т.И. Курс физики. М.: Высшая школа, 1995. 472 с.

3.Волькенштейн В.С. Сборник задач по общему курсу физики.

М.: Наука, 1988. 384 с.

4.Чертов А.Г., Воробьев А.А. Задачник по физике. М.: Высшая школа, 1986. 496 с.

Дополнительный

1.Физика: Сборник контрольных заданий по механике для студентов инженерно-технических специальностей /Курск. гос. техн. ун- т; Сост.: П.А. Красных, В.М. Пауков, В.М. Полунин, Г.Т. Сычёв; Под ред. В.М. Полунина. Курск, 1997. 93 с.

2.Физика: Сборник контрольных заданий по молекулярной физике и термодинамике для студентов технических специальностей /Курск. гос. техн. ун-т; Сост.: В.Н. Бурмистров, П.А. Красных, В.М. Полунин, Г.Т. Сычев; Под ред. В.М. Полунина. Курск, 1997. 129 с.

3.Физика: Сборник контрольных заданий по электростатике и постоянному току для студентов инженерно-технических специальностей: Учеб. пособие /Курск. гос. техн. ун-т; Сост.: П.А. Красных, В.М. Пауков, В.М. Полунин, Г.Т. Сычев; Под ред. В.М. Полунина. Курск, 1998. 164 с.

4.Физика: Сборник контрольных заданий по электромагнитным явлениям для студентов инженерно-технических специальностей: Учеб. пособие /Курск. гос. техн. ун-т; Сост.: П.А. Красных, В.М. Пауков, В.М. Полунин, Г.Т. Сычев; Под ред. В.М. Полунина. Курск, 2000. 115 с.

5.Матвеев А.Н. Механика и теория относительности. М.: Высшая школа, 1986. 208 с.

6.Сивухин Д.В. Общий курс физики. М.: Наука, 1980. Т.1 - 6.

7.Сена Л.А. Единицы физических величин и их размерности. М.:

Наука, 1977. 452 с.

1.ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КЛАССИЧЕСКОЙ МЕХАНИКИ

1.1.Элементы классической кинематики

Механика – раздел физики, в котором изучается механическое движение, причины, вызывающие это движение, и происходящие при этом взаимодействия между телами.

Механическое движение - изменение с течением времени взаимного положения тел или их частей (частиц) в пространстве.

Кинематика – раздел механики, в котором изучают геометрические свойства движения и взаимодействия тел в не связи с причинами их порождающими.

Физические модели (научные абстракции) классической механики:

1)материальная точка – протяженное тело, размерами которого в условиях данной задачи можно пренебречь, обладающее массой. Понятие применимо при поступательном движении или когда в изучаемом движении можно пренебречь вращением тела вокруг его центра масс;

2)абсолютно твердое тело - тело, расстояние между двумя любыми точками которого в процессе движения остается неизменным. Применимо, когда можно пренебречь деформацией тела;

3)сплошная изменяемая среда - понятие применимо при изучении движения изменяемой среды (деформируемого твердого тела, жидкости, газа), когда можно пренебречь молекулярной структурой среды.

Система единиц измерения физических величин - совокуп-

ность основных и производных эталонов. В настоящее время предпочтительной во всех областях науки и техники является система СИ.

Всистеме СИ единицами измерения являются: 1) основные –

единица измерения длины (L) - 1 м; единица измерения массы (M) - 1 кг; единица измерения времени (T) - 1 с; единица измерения температуры (Т) - 1 К; единица измерения силы тока (I) - 1 А; единица измерения силы света (I) - 1 св.; 2) дополнительные - единица измерения плоского угла - 1 рад; единица измерения телесного угла - 1 стерад.

Тело отсчета - произвольно выбранное, условно неподвижное

тело, по отношению к которому рассматривается движение данного тела.

Система отсчета - произвольная система координат, связанная с телом отсчета, например: а) прямоугольная, трехмерная система координат, в точке пересечения осей которой помещают тело отсчета; б) полярная система координат, положение материальной точки (тела) в которой задается радиус-вектором r и углами: ϕ;θ.

Траектория движения - совокупность последовательных положений материальной точки (тела) в процессе ее движения

Поступательное движение - движение, при котором тело перемещается параллельно самому себе. При этом все точки тела описывают одинаковые траектории, смещенные относительно друг друга.

Положение материальной точки (тела) в прямоугольной системе отсчета, в данный момент времени, может быть определено:

с помощью координат x,y,z - M(x,y,z); с помощью радиус-вектора r и естественным (траекторным) способом.

Уравнения движения материальной точки (тела) в кинематике:

где x, y, z – координаты;

rx, ry, rz – проекции радиуса вектора r на соответствующие оси координат.

Основные понятия и определения кинематики материальной точки и твердого тела, движущегося поступательно:

1) перемещение - вектор r, проведенный из начального положения материальной точки (тела) в положение этой точки в данный момент времени (приращение радиус-вектора за рассматриваемый промежуток времени):

2) элементарное перемещение dr - бесконечно малое переме-

щение, которое с достаточной степенью точности совпадает с соответствующим участком траектории движения. При прямолинейном движении вектор перемещения совпадает с соответствующим участком траектории и модуль перемещения численно равен пройденному пути:

3)путь - расстояние, пройденное телом при его движении по траектории. В частных случаях перемещение и путь могут совпадать;

4)мгновенная линейная скорость - векторная физическая вели-

чина, характеризующая состояние движения, показывающая, как изменяется перемещение в единицу времени, равная первой производной от перемещения по времени:

5) средняя скорость неравномерного движения - скалярная физическая величина, численно равная отношению всего пути, пройденного телом (материальной точкой), к тому промежутку времени, в течение которого совершалось движение:

6) линейное ускорение - векторная физическая величина, характеризующая изменение скорости в единицу времени, равная первой производной от скорости или второй производной от перемещения по времени:

7) тангенциальное ускорение аt – составляющая ускорения, на-

правленная вдоль касательной к траектории движения. Изменяет ли-

8) нормальное ускорение an - составляющая линейного ускорения, направленная по нормали n к вектору линейной скорости, т.е. к касательной в данной точке:

Вращательное движение твердого тела вокруг неподвижной оси - движение, при котором какие-либо две его точки остаются неподвижными в процессе движения. Прямая, проходящая через эти точки, - ось вращения; все остальные точки твердого тела описывают окружности в плоскостях, перпендикулярных к оси вращения, центры которых лежат на этой оси.

Основные кинематические характеристики вращательного движения:

1)угол поворота Δϕ – угол, отсчитанный между двумя последовательными положениями радиуса R.

2)угловая скорость ω - векторная физическая величина, показывающая, как изменяется угол поворота Δϕ в единицу времени, численно равная первой производной от угла поворота по времени. Вектор угловой скорости направлен вдоль оси вращения в сторону, определяемую правилом правого винта:

3) угловое ускорение ε - векторная физическая величина, характеризующая изменение угловой скорости в единицу времени, численно равная первой производной от угловой скорости по времени или второй производной от угла поворота по времени Направление вектора углового ускорения совпадает с направлением вектора угловой скорости в случае ускоренного вращения и противоположно - в

Период вращения (T) - время, в течение которого тело совершает один полный оборот.

Частота вращения (n) - число оборотов, совершаемых в единицу времени.

Круговая (циклическая) частота ω - число оборотов, совер-

шаемых за время, равное 2π.