9

Лекторы: зав.каф «Физика» Виктор Стефанович Кунаков

Аспирант кафедры Константин Андреевич Тимолянов

Литература: Трофимов А.И. «Курс физики»

Савельев И.В. «Курс общей физики»

Лекция 1. Элементы кинематики.

[1]. гл. 1

План лекции

1. Введение.

2. Основные кинематические понятия и характеристики.

3. Нормальное, тангенциальное и полное ускорения.

4. Угловая скорость, угловое ускорение.

1. Введение.

Физику можно назвать наукой о наиболее общих свойствах и законах движения материи.

В настоящее время известны два вида материи - вещество (атомы, молекулы, тела) и поле (гравитационное, электромагнитное); наблюдается взаимное превращение различных видов материи (e+e возможен обратный процесс).

Материя находится в непрерывном движении, под которым понимается всякое изменение вообще. Движение - неотъемлимое свойство материи, которое неуничтожимо, как сама материя.

Материя существует и движется в пространстве и во времени, которые являются формами бытия материи.

Форм движения материи много. Предмет «Физика» изучается в порядке усложнения форм движения материи и делится на следующие разделы: механика, молекулярная физика, электричество и магнетизм, оптика, физика атома и атомного ядра.

“Физика” – от греческого “физис” – природа. Физику подразделяют на так называющую классическую физику и физику квантовую.

Классической называется та физика, начало которой было положено Ньютоном и создание которой было завершено в начале XX столетия.

Ньютоновская механика оказалось настолько плодотворной, что у физиков сложилось представление о том, что любое физическое явление можно объяснить с помощью ньютоновских законов.

Однако такие блестящие достижения физики как открытие электрона (1897г.), создание электронной теории, теории относительности, квантовой теории требовали пересмотра установившихся физических понятий и представлений.

В физике необходимо различать скалярные и векторные величины. Скалярные величины полностью характеризуются численными значениями и единицей измерения; могут иметь положительное или отрицательное численное значение (исключение составляет температура по шкале Кельвина).

Векторная величина полностью характеризуется численным значением, единицей измерения и направлением. Для указания на векторный характер физической величины над обычным ее обозначением ставится стрелка. Векторная величина геометрически изображается вектором, т.е. отрезком, имеющим определенное направление и длину.

Математические операции над векторными величинами подчиняются особым закономерностям.

1.Сложение векторов

а) и сонаправлены

б) и направлены противоположно

в) , используется правило параллелограмма

.

2.Вычитание векторов

3. Производная вектора

,

– знак изменения,

d – знак бесконечно малого изменения.

3. Понятие интеграла.

.

Если n – велико, а - мало, то .

2. Основные кинематические понятия и характеристики.

Механика изучает механическое движение, которое является простейшей формой движения материи. Основная задача механики - определение положения тела в любой момент времени, если известно его начальное положение. В зависимости от методов решения этой задачи механику разделяют на 3 части:

1) статика - учение о механическом равновесии;

2. кинематика - учение о механическом движении без учета причин, вызывающих это движение;

3. динамика – учение о механическом движении с учетом причин, его вызывающих.

Механическое движение - это изменение положения тел или их частей в пространстве с течением времени. Основным объектом изучения в кинематике

является материальная точка. Понятие “материальная точка” есть физическая абстракция, модель, которая вводится для упрощения описания движения.

Материальной точкой называют тело, размерами и формой которого можно пренебречь в условиях данной задачи.

Заменять реальное тело материальной точкой, т.е. объектом, обладающим массой, но не имеющим геометрических размеров, можно только для тех движений, когда справедливо пренебрежение размерами, формой и процессами, происходящими внутри тела. Если реальное тело нельзя заменить материальной точкой, используют другую физическую модель – абсолютно твердое тело.

Абсолютно твердым телом называют тело, деформациями которого можно пренебречь в условиях данной задачи.

В действительности же все реальные тела при воздействии на них деформируются.

Все виды механических движений можно свести к поступательному и вращательному движениям. Материальная точка может участвовать только в поступательном движении, прямолинейном или криволинейном, т.к. говорить о вращении точки, не имеющей размеров, бессмысленно.

Поступательным назвали такое движение, при котором любая прямая, проведенная в теле, остается параллельной самой себе (рис.1).

Вращательным назвали такое движение, при котором все точки тела описывают концентрические окружности, центры которых лежат на одной прямой, называемой осью вращения (рис.2).

Системой отсчета называют связанную с часами систему координат, жестко связанную с некоторым физическим телом, называемым телом отсчета.

Обычно система отсчета представляет собой декартову систему координат, для получения которой в пространстве выбирают тело отсчета О и строят относительно него три взаимно перпендикулярные оси, обычно обозначаемые X,Y,Z.

В такой системе отсчета положение материальной точки М можно задать либо ее координатами М(x,y,z,), либо радиус-вектором . Радиус-вектор однозначно связан с координатами точки и задается следующим образом:

,

где - единичные векторы, направленные вдоль осей координат.

Численное значение вектора определяется соотношением

.

Для описания движения используют понятия: траектория, путь, перемещение, скорость, ускорение.

Траектория - линия, описываемая точкой в пространстве (прямолинейная или криволинейная).

Если траектория лежит в одной плоскости, движение называют плоским (рис.3).

Путь S - длина траектории, скалярная величина, [S]=1м.

Перемещение - вектор, соединяющий начальное и конечное положение точки и направленный к конечному положению. []=1м.

Средняя скорость перемещения равна отношению перемещения к интервалу времени t, за которое это перемещение произошло:

.

Направление вектора совпадает с направлением вектора перемещения .

Мгновенная скорость - векторная величина, равная первой производной радиуса-вектора движущейся точки по времени: .

При t уменьшается различие между и S, S, т.е. численное значение мгновенной скорости равно первой производной пути по времени:

=.

Для характеристики быстроты изменения скорости вводится понятие ускорения.

Средним ускорением называют отношение изменения скорости к интервалу времени t, за которое это изменение произошло:

, .

Направление вектора совпадает с направлением вектора .

Мгновенное ускорение - векторная величина, равная первой производной скорости по времени:

;

.

Типы прямолинейного движения:

а) переменное движение - движение, при котором изменяются как скорость, так и ускорение,

б) равнопеременное движение – движение с постоянным ускорением,

,  - равноускоренное,   - равнозамедленное,

; ,

,

; ;

в) равномерное движение – движение с постоянной скоростью,

, .