Назад . Вперед
Содержание
Предисловие
I. Основные теоретические сведения
1. Введение
2. Кинематика
3. Динамика материальной точки
4. Силы в природе
5. Законы сохранения в механике
6. Механика твердого тела
7. Механические колебания и волны
8. Гравитация
II. Дидактические материалы
1. Задания для самопроверки усвоения материала на репродуктивном уровне
2. Алгоритм решения задач по динамике
3. Примеры решения задач
4. Основная и дополнительная литература
III. Модели
Кинематика
Введение
Предмет физики и его связь со смежными науками
Системы единиц измерения физических величин
Размерность физических величин
Механика, ее разделы и абстракции, применяемые при изучении движений


Физика (природа в переводе с греческого) - одна из основных наук о природе, изучающая общие свойства и законы движения вещества физических полей.
Современная физика включает в себя значительно число разделов, например: механику, термодинамика, молекулярная физика, оптика, атомную физику и др.
Изучение курса физики в процессе профессиональной подготовки важно 2-х точек зрения:
1. Для выработки правильного научного мировоззрения, т.е. обобщенного представления о мире в целом.
2. Физика является научной основой технического образования. Фундаментальные законы природы, изучаемые физикой - теоретическая база для развития техники. Любая область техники опирается на знание физических законов: энергетика (учение об электричестве), космонавтика (механику), атомная энергия (атомную и ядерную физику). Электронно-вычислительная техника целиком обязана возникновению и развитию квантовой физике.
Четких границ между физикой и другими естественными науками установить нельзя. Существуют обширные пограничные области: физическая химия и химическая физика, биофизика, астрофизика, прикладная оптика и др.

Измерить какую-либо физическую величину - это значит сравнить ее с другой однородной физической величиной, принятой за единицу I измерения. Следовательно,  для измерения физических величин необходимо выбрать единицы измерения (эталоны). Эталоны можно выбрать произвольно, но они должны удовлетворять следующим требованиям:
а) легко воспроизводиться в любом количестве;
б) должны быть удобны для пользования в практической деятельности.
Выбор единиц, их хранение и воспроизведение определяются методологией. В России в Санкт-Петербурге  находится ВНИИ метрологии.
Чаще всего выбирают несколько эталонов для некоторых независимых физических величин и принимают их за основные. Эталоны (единицы измерения) всех остальных величин, называемые производными, получают, пользуясь физическими законами. Эталоны - это меры и измерительные приборы, предназначенные для хранения и воспроизведения единиц измерений с наивысшей достижимой при данном состоянии науки и техники точностью и принятые в общегосударственном или международном масштабе.
Совокупность основных и производных единиц образуют системы единиц. Т.к. выбор основных единиц произволен, то может быть построен целый ряд систем единиц, например, СГСЭ, МКС МКГСС и др. В последнее время в качестве предпочтительной принята Международная система единиц СИ - единая система для всех разделов физики.
В этой системе основными единицами измерения являются:

Единица измерения Обозначение и сокращенная запись Эталон
длины L –  1 м 1.650.763,73  излучения оранжевого цвета изотопа криптона 86 в вакууме.
массы M – 1 кг ед. массы, равная массе международного прототипа килограмма.
времени T –  1 с время, равное 9192631770 периодам излучения линии 2 S 1/2 в спектре атома цезия-133.
Температуры To – 1 К температура, равная 1/273,15 термодинамической температуры затвердевания дистиллированной воды при 101 325 Па.
количества вещества v – 1 моль количество вещества, содержащее столько атомов, сколько содержится в 0,012 кг нуклида углерода С12.
силы тока J – 1 А Сила тока, который, проходя по двум || прямым проводникам бесконечной  длины и ничтожного сечения, расположенных на расстоянии 1 м в вакууме, вызывает силу 2х10-7 Н на каждый метр длины.
силы света Jсв   I  Кд Кандела. Сила света, испускаемого 1/600000 м2 в перпендикулярно к этой поверхности при температуре затвердевания платины и при давлении 101 325 Па.
Дополнительные единицы 1 рад (радиан) – единица измерения плоского угла. БикЮ1 ср (стерадиан) - единица измерения телесного угла.


Размерностью физических величин называется соотношение, на основании которого можно судить об изменении единицы сложной величины вследствие изменения основных единиц.
Так для ускорения   размерность .

Это значит, что при увеличении единицы пути в n раз, в n раз увеличится и ускорение. При увеличении в m раз единицы времени, единица ускорения уменьшится в m2 раз.
Формулы размерностей единиц сложных величин устанавливают закономерности, связывающие физические величины.
Будем обозначать размерности следующим образом: [F]- размерность силы; [v] - размерность скорости;   [а] - размерность ускорения и т.д.
Размерность любой физической величины в механике можно записать как м αкг βc γ  α, β, γ-где любые целые или дробные, положительные или отрицательные  числа, в частности, они могут быть равны 0.
Так как физические законы не зависят от выбора единиц измерения входящих в них физических величин, то размерности обеих частей уравнений этих законов должны быть одинаковыми.
Это правило используется для проверки правильности полученного результата, а также для установления размерностей физических величин. Например, При решении задачи для расчета силы получено выражение , где W – энергия, t – время, v - скорость. Подставив в это выражение размерности входящих величин, мы можем убедиться в правильности полученного результата:
.
Если размерности частей уравнения при выводе какого-либо закона не совпадают, то для устранения этого недостатка в правую часть выражения добавляют коэффициент пропорциональности. Значения коэффициента определяют опытным путем, а его размерность получают из основных законов. Например, закон всемирного тяготения утверждает, что сила, с которой два тела притягиваются друг к другу, прямо пропорциональна произведению их масс и обратно пропорционально квадрату расстояния между ними, но размерность силы не соответствует размерности правой части уравнения . Для устранения недостатка введен коэффициент пропорциональности – гравитационная постоянная, численное значение которой определено экспериментально (в СИ ).

Механика - учение о простейшей форме движения материи, которое состоит в перемещении тел или их частей относительно друг друга. Механика - учение о механическом движении.
В механике принято выделять кинематику, статику, динамику.
В кинематике рассматривается движение тел вне связи с причинами, которые вызывают это движение или изменяют его.
В статике изучаются законы равновесия одного тела или системы тел.
Динамика рассматривает законы движения тел и причины, которые вызывают или изменяют движение.
Отдельно изучаются, как правило, понятия работы и мощности, закон сохранения механической энергии.
При анализе сложных процессов, где трудно проследить и выявить основные причинные связи, стараются прежде всего отделить главные закономерности от второстепенных. При этом с целью упрощения рассматривают условную схему явления, пользуясь научными абстракциями. Без применения физических абстракций, отображающих только частично процесс или какую-либо из его сторон, любая, даже простейшая, задача будет неразрешимой.
В механике чаще всего пользуются следующими абстракциями: а) материальная точка; б) абсолютно твердое тело; в) абсолютно упругое тело.
Материальная точка – тело, имеющее массу, размерами которого в данных условиях можно пренебречь.
Например, рассматривая движение Земли вокруг Солнца, можно и Землю, и Солнце считать материальными точками, хотя их радиусы соответственно 6х106 м. и 7х108 м. Однако эти расстояния малы по сравнению с расстоянием между центрами этих небесных тел (1,5.1011 м). Однако при изучении вращения Земли вокруг своей оси представление о Земле как о точке неприменимо.
Аналогично можно рассматривать движение океанского лайнера в порту и океане и т.д. Совокупность нескольких тел, каждое из которых можно считать материальной точкой, называется системой материальных точек, например, наша Галактика, состоящая из звезд и планет, или газ, состоящий из молекул.
Абсолютно твердое тело - система материальных частиц, расстояние между которыми не изменяется при произвольных перемещениях этой системы и при воздействии на него других тел, т.е. это тело, которое ни при каких условиях не деформируется. Например, диск, совершающий крутильно-гармонические колебательные движения. Период колебания диска зависит только от массы, его размеров, однородности материала, из которого  он изготовлен, распределения масс относительно центра, но не зависит от его упругих свойств.  При этом отдельные части диска не изменяют своего положения относительно друг друга.
Абсолютно упругое тело - тело, основными характеристиками которого являются его упругие свойства, т.е. тело, для которого силы однозначно определяют деформации и наоборот.
Правильность выбранной абстракции подтверждается совпадением, определенной точностью результатов теории и опыта.
Физика - наука, устанавливающая закономерные связи посредством наблюдений явлений в природе и посредством лабораторных опытов. Согласие результатов научного анализа с результатами опыта - критерий истинности наших познаний об окружающем мире.
··· Вверх ···
Рецензенты: д-р пед. наук, профессор Медведев В.Е.(Мценский филиал ОГТУ, Мценск), к. ф-м. н., доцент Зайцев А.А.(ЕГУ, Елец).
Размещено по решению РИС ЕГУ им. И.А. Бунина (протокол номер 1 от 14 марта 2007 г.).
© Елецкий государственный университет им. И.А. Бунина 2007 г.
© Авторы: Трофимова Елена Ивановна  , Федянин Сергей Владимирович