Введение. Физикав переводе с древнегреческого означает Природа

Физикав переводе с древнегреческого означает Природа. Этим названием довольно точно определяется и объект изучения современ­ной физики. Она изучает наиболее общие и фундаментальные законы и закономерности материального мира. Начиная от "кирпичиков'' мироздания, истинно элементарных частиц таких как фотон, лепто-ны, кварки и глюоны, и заканчивая законами строения и эволюции Вселенной в целом.

Описывая окружающий нас материальный мир она дает клю­чи к пониманию законов движения и взаимодействия макроскопиче­ских тел. Количественные законы, установленные физикой, позволя­ют выполнить с необходимой точностью расчеты различных машин и механизмов, расчеты параметров средств связи и обработки ин­формации. На физическом фундаменте строится иерархия законов, действующих в биологии и других науках. В ходе развития физи­ки было введено понятие поля и показано, что материя состоит из вещества и поля. Современная физика идет дальше. Она предпри­нимает смелые попытки выделить материальные основы сознания и информации. Увенчаются ли эти попытки успехом, покажет будущее. Физика как наука находится в состоянии непрерывного и достаточно бурного развития. Чтобы понять это, достаточно познакомиться с историей развития физики в 20 веке. Какова будет физика 21 века, что принципиально нового принесет она нам в познании тайн Приро­ды? Чтобы подойти к ответу на эти вопросы, необходимо детально изучить основы современной физической науки; это позволит ставить новые вопросы и понимать существующие проблемы.

Физические термины и законы широко используются в различ­ных технических науках. Понятийный аппарат этих наук построен на фундаменте общей физики. Как правило, он включает в себя такие ключевые термины как масса, сила, давление, импульс, работа, мощ­ность, анергия, потенциал, сила тока и так далее. Студенту весьма трудно будет изучать технические дисциплины, не овладев основны­ми законами и категориями физики. Как показывает анализ изобре­тательской и рационализаторской деятельности, именно законы фи­зики являются неисчерпаемым источником новых идей и предложе­ний, дающих иногда неожиданные результаты. Вспомним изобрете- ния: радио, телевидения, лазеров, интегральных схем, спутниковой связи и многие другие. Развиваясь, физика непрерывно обогащает естественные и технические науки, такие как философия, биология, медицина, химия, радиотехника, теплотехника и т.д.

Хотя физика и является единой наукой, но для удобства изуче­ния ее обычно представляют в виде следующих разделов:

"Механика",

"Молекулярная физика и термодинамика", "Электричество и магнетизм", "Оптика",

"Атомная и ядерная физика".

Сюда можно также добавить физику малого и большого — фи­зику истинно элементарных частиц и физику Вселенной. Настоящие лекции по объему материала соответствуют примерно трех семестро­вому курсу физики с учетом того, что преподаватель дополнительно читает еще 2-3 лекции в зависимости от специализации потока.

Авторы не ставили перед собой цель написать справоч­ник по физике и рассмотреть при «том как можно больше во­просов. IIель данной работы заключается в том, чтобы выделить ключевые, т.е. наиболее важные и принципиальные моменты курса, снабдив их, по возможности, примерами и иллюстрациями; вывести формулы там, где это необходимо, и отметить практическое исполь­зование наиболее значимых результатов и явлений.

На протяжении всех лекций мы будем использовать между­народную систему единиц СИ, основными единицами которой явля­ются метр (м), килограмм (кг), секунда (с), ампер (А), кельвин (К), моль (моль), кандела (кд). В СИ все единицы, образованные от фами­лий, в сокращенном варианте пишутся с большой буквы. Векторные величины в формулах выделены жирным шрифтом. Предполагает­ся, что изучение лекций сопровождается выполнением лабораторных работ и решением задач на соответствующие темы.

В настоящем втором издании лекций по физике исправлены опе­чатки, замеченые в первом издании, часть материала лекций пере­работана, добавлен новый материал. Авторы благодарят всех, кто сделал полезные и необходимые замечания.

Лекция №1

Кинематика поступательного движения

Введение

Ф. Энгельс в труде "Диалектика природы" классифицировал различные формы движения материи в порядке их постепенного усложнения. В настоящее время в физике рассматривают фор­мы движения материи в такой последовательности: механиче­ская, молекулярно-тепловая, электромагнитная, внутриатом­ная.

Механика — это часть физики, изучающая наиболее про­стую форму движения материи (перемещение тел или частей одного и того же тела относительно друг друга).

Различают три вида механического движения: поступатель­ное, вращательное и колебательное.

Основные законы механики установлены в XVII веке Галиле­ем и Ньютоном на основе наблюдения за движением земных и небесных макротел. Это — классическая механика.

На рубеже XIX и XX веков выяснилось, что классическая механика не всегда точна для больших скоростей (близких к скорости света) и для микрообъектов. Тогда возникли реляти­вистская и квантовая механики.

Квантовая и релятивистская механики не опровергают, а уточняют классическую механику в области микромира и боль­ших скоростей. Соотношения между этими механиками пред­ставлены ниже; приведем их некоторые основные положения.

(М и v — масса и скорость тела, т — масса микрочастицы, с и 3 • 10⁸ м/с — скорость света в вакууме, М₀ — масса покоя тела, W — энергия).

Классическая механика Галилея-Ньютона (М > т, v < с)

1. М = const (не зависит от скорости).

2. В принципе значение скорости v не ограничено.

3. Между М и W нет определенной непосредственной связи.

4. Энергия может принимать любые значения (изменяется не-прерывно).

5. Частицы и волны — совершенно различные физические объ­екты: частица локализована (можно дать ее координаты),волна "размазана" в пространстве (о ее координате говорить бессмысленно).

Релятивистская механика (Эйнштейна) (v ~ с).

1. Масса зависит от скорости

То

m=

2. v < с, что следует из п. 1: если v = с, то т = оо, но тогда пи?/2 = оо, т.е. для разгона тела до скорости света надо совершить бесконечно большую работу, что невозможно.

3. m и W связаны формулой Эйнштейна W = пи?. Квантовая механика (Планка-Эйнштейна) (М ~ тп).

4. Энергия может иметь лишь дискретные значения (изменяет­ся порциями - квантами).

5. Частицы обладают свойствами волны, а волна — свойствами частиц. Согласно де Бройлю, частице массой т, движущей­ся со скоростью v, соответствует волна длиною А = hftmv), где h = 6,625 • Ю^-3* Дж • с — постоянная Планка (дифракция электронов).

В курсе обшей физики мы будем, в основном, изучать клас­сическую механику, обращаясь к положениям квантовой и ре­лятивистской механик лишь там, где это необходимо.

Физические основы механики подразделяются на статику, ки­нематику и динамику. Статика изучает законы равновесия тел, подвергнутых действию сил. В программе вузовского курса она отсутствует. Кинематике рассматривает движение тел, не ка­саясь причин, его вызывающих и изменяющих. Динамика рас­сматривает движение тел под действием сил.

Кинематика поступательного движения. Основные кинематические характеристики

Любое тело обладает какими-то размерами и формой. Если форма и размер не оказывают существенного влияния на харак­тер движения, то такое тело можно рассматривать как матери­альную точку.

Материальная точка — тело, формой и размерами которого в условиях данной задачи можно пренебречь. Одно и то же тело в некоторых задачах можно считать материальной точкой, а в некоторых - нельзя. Например, рассматривая движение Земли вокруг Солнца, можно полагать ее и Солнце материальными точками. Рассматривая же суточное вращение Земли вокруг своей оси, нельзя считать Землю материальной точкой.

Перемещение тела можно рассматривать только относитель­но какого-то другого тела. Такое тело, жестко связанная с ним система координат (например, прямоугольная x,y,z) и указан­ный способ отсчета времени называется системой отсчета. По­ложение материальной точки в любой момент времени задается координатами х,у,г (рис. 1).

Линия АМВ, описываемая материальной точкой при движе­нии, называется траекторией. Пройденный путь — это рассто­яние, пройденное материальной точкой вдоль траектории дви­жения. Пройденный путь — величина скалярная.

Перемещением Аг материальной точки за рассматриваемый промежуток времени t называется вектор, начало которого со­впадает с положением точки в начале этого промежутка вре­мени, а конец с положением точки в конце этого промежутка времени.

Движение называется прямолинейным, если траектория — прямая, и криволинейным — если кривая.

Основными кинематическими характеристиками поступа­тельного движения материальной точки являются: переме­щение AS, пройденный путь 5, скорость v и ускорение а.