1)Место
и роль физики в современном естествознании. Модели физики и их ограниченность.
Механическое движение. Относительность движения. Система отсчёта. Траектория,
путь, перемещение. Скорость, ускорение.
Физика
— наука о наиболее простых и вместе с тем наиболее общих формах движения
материи и их взаимных превращениях. Изучаемые физикой формы движения материи
(механическая, тепловая и др.) присутствуют во всех высших и более сложных
формах движения материи (химических, биологических и др.). Поэтому они, будучи
наиболее простыми, являются в то же время наиболее общими формами движения
материи. Высшие и более сложные формы движения материи — предмет изучения
других наук (химии, биологии и др.).
Физика
тесно связана с естественными науками. Эта теснейшая связь физики с другими
отраслями естествознания, как отмечал академик С. И. Вавилов (1891—1955;
российский физик и общественный деятель), привела к тому, что физика
глубочайшими корнями вросла в астрономию, геологию, химию, биологию и другие
естественные науки. В результате образовался ряд новых смежных дисциплин,
таких, как астрофизика, биофизика и др.
Физика
тесно связана и с техникой, причем эта связь имеет двусторонний характер.
Физика выросла из потребностей техники (развитие механики у древних греков, например,
было вызвано запросами строительной и военной техники того времени), и техника,
в свою очередь, определяет направление физических исследований (например, в
свое время задача создания наиболее экономичных тепловых двигателей вызвала
бурное развитие термодинамики). С другой стороны, от развития физики зависит
технический уровень производства. Физика — база для создания новых отраслей техники
(электронная техника, ядерная техника и др.).
Бурный
темп развития физики, растущие связи ее с техникой указывают на значительную
роль курса физики во втузе: это фундаментальная база для теоретической
подготовки инженера, без которой его успешная деятельность невозможна.
Механика
— часть физики, которая изучает закономерности механического движения и
причины, вызывающие или изменяющие это движение. Механическое движение — это
изменение с течением времени взаимного расположения тел или их частей.
Развитие механики как науки начинается с III в. до н.
э., когда древнегреческий ученый Архимед (287—212 до н. э.) сформулировал закон
равновесия рычага и законы равновесия плавающих тел. Основные законы механики
установлены итальянским физиком и астрономом Г. Галилеем (1564—1642) н окончательно сформулированы английским ученым И. Ньютоном
(1643—1727).
Механика
Галилея—Ньютона называется классической механикой. В ней изучаются законы
движения макроскопических тел, скорости которых малы по сравнению со скоростью
света в вакууме. Законы движения
макроскопических тел со скоростями, сравнимыми со скоростью с, изучаются релятивистской
механикой, основанной на специальной теории относительности, сформулированной
А. Эйнштейном (1879—1955). Для описания движения микроскопических тел
(отдельные атомы и элементарные частицы) законы классической механики
неприменимы — они заменяются законами китовой механики.
Механика делится на три раздела: I) кинематику; 2) динамику; 3) статику.
Кинематика изучает движение тел, не рассматривая причины,
которые это движение обусловливают.
Динамика изучает законы движения тел и причины, которые вызывают
или изменяют это движение.
Статика изучает законы равновесия системы тел. Если известны
законы движения тел, то из них можно установить и законы равновесия. Поэтому
законы статики отдельно от законов динамики физика не рассматривает.
Механика для описания движения тел в зависимости от условий
конкретных задач использует разные физические модели. Простейшей моделью
является материальная точка — тело, обладающее массой, размерами которого в
данной задаче можно пренебречь
Абсолютно твердым телом называется тело, которое ни при каких условиях не
может деформироваться и при всех условиях расстояние между двумя точками (или
точнее между двумя частицами) этого тела остается постоянным.
Любое
движение твердого тела можно представить как комбинацию поступательного и
вращательного движений. Поступательное движение — это движение, при котором
любая прямая, жестко связанная с движущимся телом, остается параллельной своему
первоначальному положению. Вращательное движение — это движение, при котором
все точки тела движутся по окружностям, центры которых лежат на одной и той же
прямой, называемой осью вращения.
Положение
материальной точки определяется по отношению к какому-либо другому,
произвольно выбранному телу, называемому телом отсчета. С ним связывается система отсчета — совокупность системы
координат и часов, связанных с телом отсчета.
При
движении материальной точки ее координаты с течением времени изменяются. В
общем случае ее движение определяется скалярными уравнениями
x = x(t), у = y(t), z = z(t),
(1.1)
эквивалентными векторному уравнению
r = r(t). (1.2)
Уравнения
(1.1) и соответственно (1.2) называются кинематическими уравнениями движения
материальной точки.
Число
независимых координат, полностью определяющих положение точки в пространстве,
называется числом степеней свободы. Исключая t в
уравнениях (1.1) и (1.2), получим уравнение траектории движения материальной
точки. Траектория движения материальной точки — линия, описываемая этой точкой
в пространстве. В зависимости от формы траектории движение может быть
прямолинейным или криволинейным.
Вектор Dr = r — r0, проведенный из
начального положения движущейся точки в положение ее в данный момент времени
(приращение радиус-вектора точки за рассматриваемый промежуток времени),
называется перемещением.
Вектором
средней скорости <v> называется отношение
приращения Dr радиуса-вектора точки к
промежутку времени Dt:
Таким
образом, модуль мгновенной скорости
равен первой производной пути по времени:
(2.2)
При
неравномерном движении — модуль мгновенной скорости с течением времени
изменяется. В данном случае пользуются скалярной величиной ávñ — средней
скоростью неравномерного движения:
Если
выражение ds = vdt (см.
формулу (2.2)) проинтегрировать по времени в пределах от t
до t + Dt, то найдем длину пути, пройденного точкой за время Dt:
Длина
пути, пройденного точкой за промежуток времени от t1 до t2, дается интегралом
Физической
величиной, характеризующей быстроту изменения скорости по модулю и направлению,
является ускорение.
Средним ускорением неравномерного
движения в интервале от t до t + Dt называется векторная величина, равная отношению
изменения скорости Dv к
интервалу времени Dt
ускорение
a есть векторная величина, равная первой производной
скорости по времени.
центростремительным ускорением называется нормальной составляющей ускорения и направлена по нормали к траектории к центру ее кривизны.