Лекция 1

Лекция № 1

Тема лекции:

Физика и классическая механика

Рассматриваемые вопросы:

1.О роли физики в науке и технике……………………………………………..…1

2.Предмет механики…………………….….…..………………………………….10

3.Объекты изучения механики……………………………………………….…...11

4.Классическая механика……………………….……………………..……...…...13

5.Модели в классической механике…………….……………………………...…15

6.Цилиндрическая и сферическая системы координат..…………………..….....16

7.Элементы векторной алгебры………………………………………………..…18

8.Элементы математического анализа……………………………………...……23

9.Литература……………………………………………………………………….28

1. О РОЛИ ФИЗИКИ В НАУКЕ И

ТЕХНИКЕ

Физика изучает простейшие формы движения материи. Она вскрывает основные законы, управляющие неживой природой. Вместе с науками о живой природе, о социальных явлениях и учениями в духовной сфере физика приобрела общекультурную ценность и стала неотъемлемой составляющей процесса формирования всесторонне развитой личности. В этом заключается общеобразовательная роль курса физики.

Физика имеет объектом исследований все многообразие неживой природы. Сюда относятся поля,

1

элементарные частицы, атомы, молекулы, макротела, планетарные (геологические) образования, небесные тела, их системы, галактики, космические среды, вакуум, и т. д.

Иными словами, физика изучает наиболее общие законы неживой природы и их частные проявления на любых структурных уровнях организации материи. Масштабы и разнообразие решаемых физикой задач требуют использования всего арсенала методов научного познания, накопленного человечеством к настоящему времени.

Курс физики не может делиться на «нужную» и «ненужную» части. Полноценное современное представление об окружающем мире можно получить, лишь изучив полный, логически замкнутый, цельный курс физики в соответствии с базовой программой.

Физика в техническом вузе выполняет общеобразовательную функцию, формирует творческое инженерное мышление специалиста, дает ему фундаментальные базовые знания, на которых покоятся теоретические основы его специальности и смежных наук.

Велика роль физики и в формировании творческого инженерного мышления специалиста. В этом смысле физика непосредственно работает на подготовку инженера любого профиля.

Необходимый творческий потенциал специалиста должен включать способности: создавать идеальные модели сложных процессов и объектов, извлекать частные выводы из общего, синтезировать общее из частного,

2

выявлять границы применимости теорий и методов, математически формулировать и решать инженерные и научные задачи, использовать для анализа задач аналогии между явлениями различной природы, гибко перестраивать свое мышление к восприятию неизбежных трансформаций старых научных и технических представлений в принципиально новые. Возможности эффективно формировать перечисленные способности в процессе изучения курса физики вытекают из особенностей физики как науки.

Курс общей физики достаточно полно отражает суть и области применения этих методов, а также их связь с перечисленными выше основными атрибутами творческого мышления.

Важно, что указанное отражение пронизывает все разделы курса. Так, каждая физическая теория опирается на выбор адекватных идеализированных моделей рассматриваемых объектов (материальная точка, абсолютно твердое тело, точечный электрический заряд и т. д.) и во всех случаях упрощение модели доводится до возможности ее строгого математического описания.

В физике вскрываются и используются формальноматематические аналогии между явлениями различной природы. В физике применяются как дедуктивный, так и индуктивный методы.

Субъективно трудные переходы от старых привычных представлений (например, классических) к принципиально новым непривычным (например, квантовым) — одна из

3

примечательных составляющих всей истории развития физики. Достаточно студенту «помучиться» при освоении необычных с точки зрения классической физики релятивистских и квантовомеханических эффектов, чтобы психологический барьер при восприятии любых инженерных новаций был у него существенно снижен.

Роль физики как инструмента развития творческого инженерного мышления также требует изучения физики как цельного логически замкнутого курса.

Еще одна задача курса физики — подготовить общетеоретическую базу для прикладных и профилирующих дисциплин. При изучении курса физики студент должен осознать, что многие прикладные дисциплины — это модифицированные развитием техники разделы физики. Сюда относятся гидро- и аэродинамика, теплотехника, электрохимия, электротехника, все разновидности электроники и еще многие десятки дисциплин. Не будь физики, такие дисциплины не могли бы возникнуть; возникнув, они мощно стимулируют развитие соответствующих разделов физики и тем самым получают все более широкую научную базу для собственного развития.

Особенно возросла роль физики в последние годы. Масштабы прямого и опосредованного использования в технике физических явлений и эффектов стали столь широкими, что высшее техническое образование без знания основ физики в настоящее время не может быть полноценным. В процессе ускорения технического прогресса возрастает насыщенность производства

4

физическими методами диагностики, контроля, исследований. Повсеместно внедряется использование аппаратуры и устройств, применявшихся ранее только в физических лабораториях.

Примерами могут служить лазерные технологии, использование в технологиях ускорителей элементарных частиц и многое другое. Наконец, увеличение наукоемкости современного производства приближает инженерные теории к физическим, и физические теории начинают непосредственно использоваться в технологиях. Например, только всестороннее использование физики позволило за последние 40 лет повысить производительность труда при изготовлении элементов полупроводниковых интегральных микросхем не менее, чем в 105 раз, а их размеры (объем) уменьшить более чем в 109 раза.

Важно отметить, что за последние десятилетия резко сократились сроки внедрения в практику физических открытий. Примерами могут служить открытие индуцированного излучения атомов и создание промышленных лазеров и лазерных технологий; открытие деления ядер урана и создание атомных электростанций; установление универсальных схемных свойств электронно-дырочных переходов и создание полупроводниковых интегральных схем на их основе и т. д.

Поэтому основные достижения физики должны быть одинаково хорошо знакомы выпускнику технического вуза любого профиля.

5

Физика — это прежде всего экспериментальная наука. За время своего развития физика накопила громадный фактический материал, изучить который в рамках вузовского образования практически невозможно. Однако одновременно, физика — всесторонне теоретизированная наука. Она выработала эффективные математические методы «свертывания» научной информации до вполне обозримых объемов. В основе этих методов лежит четкая иерархия физических законов.

Вся физика покоится на небольшом числе основных законов (законы Ньютона, начала термодинамики и т. п.) и фундаментальных принципах (принцип относительности, принцип суперпозиции и т. п.). Далее идут важнейшие частные законы, вытекающие из основных и т. д. Поэтому в первую очередь и особенно твердо следует освоить основные законы и принципы, а затем их важнейшие следствия.

Из частностей и деталей слушатель лекций должен больше внимания уделять вопросам, имеющим для него прямой профессиональный интерес. Практическая значимость различных разделов физики в лекциях подчеркнута особо.

Еще несколько общих методических рекомендаций слушателям. Большинство разделов лекций имеет преемственную связь со школьным курсом физики. Поэтому, при изучении данных лекций, целесообразно предварительно освежить в памяти соответствующий материал школьного курса физики.

6

В лекциях используется математический аппарат, изучение которого в курсе математики зачастую отстает. Поэтому необходимо тщательно знакомиться с математическими справками, имеющимися в различных разделах настоящего курса. Почти каждый последующий раздел лекций опирается на информацию, изложенную в предыдущих разделах. Поэтому наиболее продуктивным будет последовательное систематическое изучение лекций. Изучение отдельных лекций без опоры на знание предшествующего материала потребует значительно больших усилий.

Рекомендуется не пытаться преодолевать сразу каждую трудность, встретившуюся при первом изучении нового материала. При первом изучении необходимо ухватить основное содержание материала, а исчерпывающее понимание деталей, логических рассуждений, математических выводов возникнет при последующем изучении.

Мы будем исходить из философской предпосылки о том, что материальный мир познаваем. Познание мира — бесконечный процесс, предельной целью которого является абсолютная истина. Приближение к абсолютной истине идет, в основном, от простого к сложному, через относительные истины. На каждом данном этапе познания физика имеет дело с относительными истинами. Относительные истины добываются путем такого мысленного упрощения исследуемых объектов или процессов, которое облегчает выявление главных физических закономерностей окружающего нас мира. Используемые упрощения связаны с отвлечением,

7

абстрагированием от второстепенных в данной задаче особенностей явления или объекта. Такой метод называется научной абстракцией. Построенные с помощью научной абстракции приближенные представления об изучаемом объекте называются

моделями.

Выбрать правильную модель при изучении того или иного материального объекта — важнейшая и одна из наиболее трудных задач при познании окружающего нас мира. Поэтому при изучении каждой нового материала необходимо сразу уяснить, какие физические модели используются.

Развитие физики идет по пути исследования физических объектов и процессов, описываемых все большими или все меньшими значениями физических величин, характеризующих эти объекты и процессы.

Так, по шкале линейных размеров экспериментальная физика приблизилась к 10-18 м в области микромира и к 1026 м в области астрономических объектов.

Физика изучает процессы, длящиеся от 10-23 с до миллиардов лет, давление от 10-15 атмосферы до многих миллиардов атмосфер и т. д. Принципиально важно, что количественные изменения физических величин рано или поздно сопровождаются качественными изменениями характера изучаемых законов. Это обычно вызывает необходимость коренного изменения соответствующих представлений и теорий.

8

Поэтому при изучении физики необходимо фиксировать в своей памяти характерные значения величин, относящихся к изучаемым явлениям, и границы, в которых справедливы законы, описывающие эти явления.

Пользуясь приведенными выше общими методическими рекомендациями необходимо выработать собственные приемы изучения курса физики. Критерием того, что эти приемы эффективны, должна служить способность без существенных затруднений самостоятельно отвечать на вопросы по пройденному материалу, а также самостоятельно разбирать примеры, приведенные в учебниках.

9

2. Предмет механики

В курсе общей физики для технических вузов раздел «Физические основы механики» — особый. В нем закладываются фундаментальные представления современной науки об окружающем нас мире и содержатся понятия, принципы, законы, методы, широко используемые во всех остальных разделах физики и во многих других учебных дисциплинах. Поэтому тщательное изучение данного раздела обеспечит преодоление многих трудностей при изучении последующих разделов курса физики и других дисциплин.

Предметом механики является изучение механического движения тел и связанных с этим движением взаимодействий между телами.

Под механическим движением понимают изменение взаимного положения тел или их частей в пространстве со временем.

Обычно механику подразделяют на две части, которые называются:

Кинематика.

Динамика.

Вкинематике изучаются пространственновременные характеристики механического движения. При этом причины движения, т. Е. взаимодействия между телами, не рассматриваются.

Вдинамике исследуется взаимосвязь между механическим движением тел и их взаимодействием.

10