1. Предмет і метод фізики та її зв'язок з суміжними науками

1.1.1. Фізика та її зв’язок з суміжними науками

Фізика – наука про найбільш загальні властивості і форми руху матерії. Закони фізики можуть бути як ті, що формують наукову картину світу і розвивають прогрес, діяльність людського суспільства, так і ті, що направлені на знищення людського суспільства.

Фізика – наука про найбільш прості, але загальні об’єктивні властивості в просторово-часових законах матерії, яка рухається; кількісних і якісних її змінах, що пов’язані з будовою, взаємодією і перетворенням усіх її видів і станів.

Фізика вивчає швидкість, прискорення, силу, роботу і енергію у всіх процесах, що відбуваються.

Матерія – об’єктивна філософська категорія для позначення об’єктивної реальності, яка дана людині в її відчуттях; яка копіюється, фотографується, відображається нашими відчуттями, існуючи незалежно від них. Матерія: те, що існує об’єктивно; непізнаваєма. Існує 2 типи матерії: речовина (атоми, молекули і все, що побудоване з них) і поле (електромагнітне, гравітаційне та інші поля). Різні типи матерії можуть перетворюватись одна в одну; наприклад, електрон і позитрон – в протони. Матерія існує тільки в русі. Рухається в просторі і часі, що є формами існування матерії. Таким чином, фізика пізнає просторово-часові закони руху матерії.

Фізика має спільні об’єкти і методи дослідження з іншими природничими науками, внаслідок чого виникли цілі галузі знань: фізична хімія, хімічна фізика, хімічна термодинаміка, астрофізика, біофізика, геофізика та ін.

2. Кінематика матеріальної точки. Швидкість. Прискорення.

Кінема́тика ---це розділ механіки, у якому вивчається рух матеріальних тіл у просторі з геометричної точки зору, тобто не ураховуючи сил, що визначають цей рух.

Розділ механіки, у якому розглядаються описмеханічного руху, без урахування впливу діючих на тіло зовнішніхсил.

Кінематика вивчає механічний рух тіл, не розглядаючи причин, що його викликали. Опис механічного руху в кінематиці грунтується на з'ясуванні характеру змін із часом координат, переміщень, швидкостей. Щоб описати рух тіла, треба встановити закон зміни в часі координат чи швидкостей тіла відносно інших тіл. Зміна положення тіла в просторі з плином часу характеризується переміщенням. Це векторна величина, яка визначає не лише зміну положення тіла, а й напрям, у якому відбувався рух.

Материальная точка  — тело, размерами которого по сравнению с характерными расстояниями данной задачи можно пренебречь.

Радиус-вектор — вектор, определяющий положение материальной точки в пространстве: . Здесь—координатырадиус-вектора. Геометрически изображается вектором, проведенным из начала координат к материальной точке. Зависимость радиус-вектора (или его координат) от времениназываетсязаконом движения.

Траектория — Годограф радиус-вектора, то есть — воображаемая линия, описываемая концом радиус-вектора в процессе движения. Иными словами, траектория — это линия вдоль которой движется материальная точка. При этом закон движения выступает как уравнение, задающее траекторию параметрически. Длину участка траектории между начальным и конечным моментами времени часто называют пройденным расстоянием, длиной пути или вульгарно — путем и обозначают буквой S. При таком описании движения S выступает в качестве обобщенной координаты, а законы движения в этом случае записывается в виде S = S(t) и аналогичны соответствующим законам для координат. Например закон равноускоренного криволинейного движения может быть записан в виде:

,

Где : — модуль начальной скорости, а— Тангенциальное ускорение.

Описание движения при помощи понятия траектории — один из ключевых моментов классической механики . В квантовой механике движения носит бестраекторный характер, а значит само понятие траектория теряет смысл.

Перемещение — векторная физическая величина, равная разности радиус-векторов в конечный и начальный моменты времени:

.

Иными словами, перемещение — это приращение радиус-вектора за выбранный промежуток времени.

Средняя скорость — векторная физическая величина равная отношению вектора перемещения к промежутку времени, за который происходит это перемещение:

.

Мгновенная скорость — векторная физическая величина, равная первой производной от радиус-вектора по времени:

.

Характеризует быстроту перемещения материальной точки. Мгновенную скорость можно определить как предел средней скорости при устремлении к нулю промежутка времени, на котором она вычисляется:

.

Единица измерения скорости в системе СИ— м/с, в системе СГС — см/с. Мгновенная скорость всегда направлена по касательной к траектории.

Мгновенное ускорение — векторная физическая величина, равная второй производной от радиус-вектора по времени и, соответственно, первой производной от мгновенной скорости по времени:

.

Характеризует быстроту изменения скорости. Единица ускорения в системе СИ— м/с², в системе СГС — см/с². В случае движения в плоскости вектор ускорения можно разложить по сопутствующему базису: на вектор нормального и тангенциального ускорения:

.

Здесь — единичныйвектор нормали, — единичный вектор касательной. Величинаназываетсянормальным ускорением и характеризует скорость изменения направления движения. Нормальное ускорение выражается через мгновенную скорость и радиус кривизны траектории:

.

В случае движения по окружности нормальное ускорение называется центростремительным. Как видно из предыдущей формулы, при движении по окружности с постоянной скоростью нормальное ускорение постоянно по модулю и направлено к центру окружности.

Величина называетсятангенциальным ускорением и характеризует величину изменения модуля скорости:

.

3. Кінематика абсолютно твердого тіла. Поступальний рух твердого тіла. Обертальний рух. Взаємозвязок між кутовими та лінійними характеристиками.

Абсолю́тно тверде́ тíло — тіло, яке ні за яких умов не деформується і за всіх умов відстань між двома точками (або точніше між двома частинами) якого залишається постійною..Деформацією можна знехтувати.

Обертальним рухом твердого тіла називають такий його рух, при якому всі точки, з яких складається тіло, описують кола, що лежать у паралельних площинах, а геометричне місце центрів цих кіл утворює пряму, яку називають віссю обертання.

Розглянемо поступальний і обертальний рухи абсолютно твердого тіла.

Поступальний рух абсолютно твердого тіла можна описати рухом окремої його точки. Як зазначалося в підрозділі 1.1, абсолютно твердим називають тіло, яке не змінює своєї форми при будь-яких діях. Інакше кажучи, відстань між будь-якими точками абсолютно твердого тіла залишиться сталою за всіх умов. Звичайно, таких тіл у природі не існує. Це поняття є зручною ідеалізацією, справедливою лише тоді, коли можна нехтувати деформацією тіл.

Обертанням абсолютно твердого тіла навколо нерухомої осі називається такий його рух, при якому всі точки тіла рухаються в площинах, перпендикулярних до нерухомої прямої, що називається віссю обертання тіла, і описують кола, центри яких лежать на цій осі (рис. 10). Обертання навколо осі тіла можна здійснити, закріпивши нерухомо дві його точкиO і O₁.

Кінематичною характеристикою напрямку і швидкості обертання тіла є кутова швидкість.

Кутовою швидкістю називається векторна величина, яка дорівнює першій похідній кута повороту тіла по часу: .

Вектор визначає положення осі обертання, напрямок і швидкість обертання тіла.

Лінійна швидкість точки (рис. 11)

З цього рівняння і рис. 14 випливає, що вектор лінійної швидкості дорівнює векторному добутку вектора швидкостіна радіус-вектор:

.

Якщо за час t тіло здійснює N обертів, то час, протягом якого обертове тіло здійснює один повний оберт , називаєтьсяперіодом обертання. З іншого боку, тіло, яке рівномірно обертається з кутовою швидкістю w, за час Т повертається на кут j = 2p. Тому

.

Кількість обертів за одиницю часу називається частотою обертання:

.

При рівномірному обертанні

.

Зміна вектора кутової швидкості з часом характеризується кутовим прискоренням.

Середнім кутовим прискоренням називається фізична величина, яка дорівнює відношенню зміни кутової швидкості до проміжку часу, за який ця зміна відбулася:< .

Миттєвим кутовим прискоренням називається границя середнього кутового прискорення:> . Отже, кутове прискорення дорівнює першій похідній по часу від кутової швидкості. Кутове прискорення, як і кутова швидкість, є псевдовектором.

4. Перетворення Галілея.

Перетворення Галілея — назва перетворень у класичній механіці, згідно з якими змінюються значення фізичних величин при переході між різними інерційними системами відліку.

Перетворення[ред. • ред. Код]

Перетворення Галілея дозволяють описати фізичне явище в інерційній системі відліку якщо відомо як виглядає дане фізичне явище в іншій інерційній системі відліку. Якщо осі координат у двох системах відліку мають одинакові напрямки, а одна система рухається вздовж осі другої системи з постійною швидкістю , то перетворення мають вигляд:

Відповідно змінюються компоненти швидкості

Інші величини, такі як прискорення, сила, маса при перетвореннях Галілея не змінюються. Відповідно, не змінюється вигляд рівнянь Ньютона. Говорять, що рівняння Ньютона інваріантні відносно перетворень Галілея.

5.Сила маса імпульс. Закони Ньютона.

.Си́ла — фізична величина, що характеризує ступінь взаємодії тіл. Якщо на дане тіло діють інші тіла, то ця дія (взаємодія) проявляється у зміні форми і розмірів тіла (тіло деформується), або/та у зміні швидкості тіла (тіло рухається зприскоренням)^[1]. У першому випадку маємо статичний прояв сили, у другому — динамічний. Виходячи з цього можливі два способи визначення сили: за деформацією тіла (наприклад, пружини) і за прискоренням, отриманим тілом.

Сила є векторною величиною — крім числа, що позначає більшу чи меншу дію, вона характеризується ще й точкою прикладання та напрямком дії. Силу здебільшого позначають латинською літерою (від англ. force), де жирний шрифт вказує, що це вектор. Вектор також позначають стрілочкою . Абсолютна величина сили позначається нежирним шрифтом: .

Сили вивчаються в розділах механіки, які називаються динамікою і статикою. Динаміка вивчає питання, пов'язані з рухомтіл під впливом сил, а в статиці розглядаються умови рівноваги нерухомих тіл.

Маса — фізична величина, яка є однією з основних характеристик матерії, що визначає її інерційні, енергетичні та гравітаційнівластивості. Маса зазвичай позначається латинською літерою m.

Імпульсом або вектором кількості руху в класичній механіці називається міра механічного руху тіла, векторна величина, що для матеріальної точки дорівнює добутку маси точки на її швидкість та має напрямок швидкості.

У системі СІ одиницею вимірювання імпульсу є кг·м/с, в системі СГС — [г·см/с].

Сума імпульсу для будь-якої замкнутої системи є величиною сталою.

Перший закон Ньютона

Перший закон Ньютона стверджує, що існують системи відліку, у яких тіла зберігають стан спокою або рівномірного прямолінійного руху за відсутності дії на них з боку інших тіл або при взаємній компенсації цих впливів.^[4] Такі системи відліку називаються інерційними. Ньютон припустив, що кожен масивний об'єкт має певний запасінерції, який характеризує «природний стан» руху цього об'єкта. Ця ідея заперечує погляд Аристотеля, який розглядав спокій «природним станом» об'єкта. Перший закон Ньютона суперечить фізиці Аристотеля, одним з положень якої є твердження про те, що тіло може рухатися з постійною швидкістю лише під дією сили. Той факт, що в механіці Ньютона в інерційних системах відліку спокій фізично не відрізняється від рівномірного прямолінійного руху, є обґрунтуванням принципу відносності Галілея. Серед сукупності тіл принципово неможливо визначити які з них перебувають «у русі», а які «знаходяться у спокої». Говорити про рух можна лише відносно якоїсь системи відліку. Закони механіки виконуються однаково у всіх інерційних системах відліку, іншими словами всі вони є механічно еквівалентними. Останнє випливає з так званих перетворень Галілея.^[7]