ВВЕДЕНИЕ

Предмет физики. Методы физического исследования:

опыт, гипотеза, теория.

Физика, наряду с другими естественными науками, изучает объективные свойства окружающего нас материального мира. По-гречески это слово означает природу (ФЮЗИС).

Предметом физики является изучение простейших и в то же время наиболее общих форм движения неживой материи. При этом под материей понимается объективная реальность, существующая независимо от человеческого сознания и отображаемая им.

Физика изучает следующие формы движения:

1. механическое движение (поступательное, вращательное, колебательное, волновое и т.д.);

2. молекулярно-тепловое движение (диффузия, растворение, передача тепла и т.д.);

3. электрические и электромагнитные процессы;

4. внутриатомное движение;

5. внутриядерное движение.

Физика – наука опытная. Современные физические теории имеют сложный математический аппарат. Однако, все эти теории опираются на опыт, и только опыт является критерием их правильности. Физическим опытом (или физическим экспериментом) является только такое измерение, в котором все воздействия на исследуемую систему поддаются учету. На основе наблюдений над явлениями, протекающими в природе или в условиях специально поставленного опыта, ученые выводят заключение о предполагаемой сущности явления, о возможной причине его, о зависимости одних явлений от других. Научно обоснованное предположение о причинах или сущности какого-либо явления называется гипотезой. Гипотеза дает нам только вероятностные объяснения явления. Проверка гипотезы на практике делает гипотезу или более достоверной, или иногда заставляет отказаться от нее и заменить другой. Гипотеза, подтвержденная экспериментально и вошедшая в систему знаний, превращается в физическую теорию (закон). В течение веков предположение об атомном строении вещества оставалось только догадкой. В наше время существование атомов и молекул не является более предположением – атомы и молекулы взвешивают, измеряют их скорости, фотографируют. Гипотеза превратилась в теорию.

Новые научные открытия пополняют и изменяют теорию и часто приводят к замене старой теории новой, сохраняющей в себе, однако, рациональное зерно старой. Опытные факты, использованные для получения определенного физического закона, всегда ограничены как по точности проведенных измерений, так и по области измерения физических величин (ограниченные интервалы температур, давлений, размеров и т.д.), поэтому каждый физический закон имеет определенную область применимости. Физические законы, имеющие наиболее обширные области применимости, называются фундаментальными. Например, фундаментальными являются закон сохранения энергии, закон всемирного тяготения, закон Кулона.

Физика теснейшим образом связана с философией. Вся история физики является блестящим подтверждением основных положений диалектического материализма. Поэтому изучение физики и философское осмысление ее открытий и законов играют важную роль в формировании подлинно научного мировоззрения.

Тесная связь физики с другими отраслями естествознания привела к тому, что физика глубочайшими корнями вросла в астрономию, геологию, химию, биологию и др. Образовался ряд пограничных дисциплин: астрофизика, геофизика, биофизика, физическая химия, квантовая химия и др. Физические методы исследования имеют решающее значение для всех естественных наук. Революция в биологии, связанная с возникновением молекулярной биологии и генетики, была бы невозможна без физики. Развитие электроники привело к революции в астрономии – созданию радиоастрономии.

Открытия в физике имеют большое значение для создания и развития новых отраслей техники. Физика явилась научным фундаментом, на котором выросли электро- и радиотехника, приборостроение, ядерная энергетика, лазерная техника и т.д. В свою очередь техника оказывает большое влияние на прогресс физики, так задача создания более экономичных тепловых двигателей вызвала быстрое развитие термодинамики. Студентам высшей технической школы – будущим инженерам не надо забывать о том, что физика является базовой дисциплиной для большинства общеинженерных и специальных дисциплин. Инженер любого профиля должен владеть физикой в такой степени, чтобы быть в состоянии активно применять достижения научно-технической революции в своей производственной деятельности.

Размерность физических величин. Основные единицы си.

При изучении физики мы встретимся с большим числом физических величин. Что же такое физическая величина? Физическая величина – это характеристика одного из свойств физического объекта, явления, процесса. Она является общей в качественном отношении для многих объектов, но значение ее для данного объекта индивидуальное. Например, скорость (V), теплопроводность ( ), энергия (Е).

Размерностью физической величины (обозначение - dim) называется выражение, характеризующее связь этой величины с основными величинами данной системы единиц. Это выражение записывается в виде произведения символов основных величин в соответствующих степенях (целых, дробных, положительных, отрицательных, нулевых). Например, dimV=LT^-1;

dim = ; . Физическая величина называется безразмерной, если в выражение ее размерности все основные величины входят в нулевой степени.

Система физических величин – совокупность взаимосвязанных физических величин, образованная в соответствии с принятыми принципами, когда одни величины принимаются за независимые, а другие являются их функциями. Система величин, на которой строится Международная система единиц (СИ), имеет семь основных величин. В качестве единиц измерения этих основных величин приняты следующие:

Основные величины	Размерность	Единица	Обозначение
1. Длина	L	метр	м
2. Масса	M	килограмм	кг
3. Время	T	секунда	с
4. Сила электрического тока	I	ампер	А
5. Термодинамическая температура		кельвин	К
6. Количество вещества	N	моль	моль
7. Сила света	J	кандела	кд

1. Физические основы механики

Механика – раздел физики, в котором изучают закономерности механического движения и механического взаимодействия материальных тел. Механику тел, движущихся с малыми скоростями по сравнению со скоростью света в вакууме с = 3*10⁸ м/с, называют классической механикой в отличие от релятивистской механики быстро движущихся тел. Законы движения частиц в области микромира (10^-9 – 10^-15 м) изучаются в квантовой механике.

1. Кинематика.

1. Кинематика материальной точки. Радиус-вектор. Перемещение. Скорость и ускорение.

Кинематика изучает движение, не интересуясь причинами, вызвавшими это движение. Движение тела происходит как в пространстве, так и во времени. Описать движение тела - означает указать для каждого момента времени положение тела в пространстве и его скорость.

Явления природы очень сложны и, чтобы понять главное явление не отвлекаясь на второстепенные детали, физики прибегают к моделированию, то есть к упрощенной схеме явления, воспроизводящей действительное явление в главных чертах. Такое фиктивное явление или тело называют физической моделью. Простейшей физической моделью является материальная точка. Любое макроскопическое тело можно считать материальной точкой, если его размерами (но не массой!) можно пренебречь в условиях данной задачи.

Положение материальной точки (рис. 1.1) в пространстве однозначно определяется тремя декартовыми координатами x, y, z, или радиус-вектором - направленной прямой, проведенной из начала координат в данную точку.

Рис. 1.1. Декартова система координат и радиус-вектор.

Число независимых координат, необходимых для определения тела в пространстве называется числом степеней свободы (i).

Проекции радиус-вектора (x₁, y₁, z₁) на координатные оси системы отсчета равны координатам материальной точки: x_1, y_1, z₁. Таким образом, число степеней свободы материальной точки i = 3. При движении радиус-вектор частицы изменяется. Он может удлиняться и укорачиваться, может изменять свою ориентацию в пространстве. Это означает, что он является функцией времени.

При движении частицы конец радиус-вектора описывает в пространстве линию – траекторию движения частицы.

На рис. 1.2 изображен отрезок траектории. В какой-то момент времени t₁ точка М занимает на траектории положение М₁, характеризуемое радиус-вектором ОМ₁= . В следующий момент t₂, спустя промежуток времени

, точка М занимает на траектории следующее положение М₂, характеризуемое радиус-вектором ОМ₂ = . Дуга М₁М₂ = при этом представляет собой путь, пройденный точкой М за время . Вектор , проведенный из начального положения М₁ в конечное положение М₂, называется вектором перемещения точки М за время .

Рис. 1.2. Траектория, перемещение и вектор мгновенной скорости.

В общем случае и не совпадают, но различие между ними тем меньше, чем меньше .

Рассмотрим понятие скорости и ускорения при движении материальной точки по криволинейной траектории.

Величина называется средней скоростью движения за время или, точнее, за время между t₂ и t₁. Она является величиной векторной, так как получается делением вектора на скаляр . Направление средней скорости совпадает с (рис. 1.2). Предел средней скорости при , то есть производная радиус-вектора по времени,

(1.1)

называется мгновенной скоростью материальной точки. Истинная скорость есть вектор, направленный по касательной к траектории движущейся точки в данный момент времени. Обозначим через V_x, V_y, V_z компоненты скорости, определяющие проекции вектора на координатные оси системы отсчета:

.

В компонентах, определяющих проекции скорости на координатные оси, векторное равенство (1.1) эквивалентно трем соотношениям:

; ; . (1.2)

Скорость частицы может изменяться со временем как по величине, так и по направлению. Быстрота изменения вектора скорости частицы, как и быстрота изменения любой функции времени, определяется производной вектора по t.

(1.3)

Ускорение – это вектор, равный первой производной от вектора скорости точки по времени или второй производной от радиус-вектора по времени.

Через a_x, a_y, a_z обозначим компоненты ускорения, определяющие проекции вектора на координатные оси системы отсчета.

.

Для компонент ускорения существуют соотношения, которые вытекают из определения.

, , . (1.4)