Российский университет дружбы народов кафедра

Российский университет дружбы народов кафедра экспериментальной физики Лекции по курсу общей физики поток ОС, ОР доц. Андреев В. В. “Науки делятся на естественные, неестественные и противоестественные” (Ландау Л. Д. ) “Есть одна наука - физика. Все остальное - коллекционирование марок” (Резерфорд Э. ) Москва - 2013

Объем учебной нагрузки : 68 час. - лекции, 68 час. - лабораторные работы 2 семестра : 2 часа в неделю лекции, 2 часа практические занятия ( лабораторные работы -2 часа), 10 - лабораторных работ в семестр 1 семестр : 6 - механика, 4 - молек. физика ; 2 семестр: 6 - электричество, 4 - оптика ) 4 контрольных теста за семестр (4 варианта на поток) Цель курса Ознакомление с основными физическими явлениями, их механизмами, закономерностями и практическими приложениями. Курсом закладывается физическая основа для последующего изучения естественных наук и специальных дисциплин

Литература Обязательная( можно скачать в сети : http: //eqworld. ipmnet. ru/ru/library/physics/lectures. htm) Ø Савельев И. В. Курс общей физики – М. Высшая школа, 5 т. 2004 Ø Г. А. Зисман, О. М. Тодес Курс обшей физики 3 т. изд. Наука 1979 г Ø Ремизов А. Н. . Потапенко А. Я. Курс физики – М «Дрофа» , 2002 ПОСОБИЯ Ø Механика. Кинематика, динамика, колебания, законы сохранения, механика жидкостей. Методические указания к решению задач по курсу «Общая физика» / / Под ред. В. В. Андреев, Л. В. Коновальцева, М. В. Пальтов— М. : РУДН, 2005 Ø В. В. Андреев, Л. В. Коновальцева, методические указания к решению задач по курсу общей физики Разделы «Молекулярная физика, термодинамика, механика и молекулярные явления в жидкости и газе» — М. : РУДН, 2012 Ø В. И. Каряка, Н. М. Молчанова «Лабораторные работы по механике и молекулярной физике» для студентов I курса инженерного факультета. М. , изд. РУДН Ø Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Электричество и Магнетизм» I, II / Под ред. С. С. Дереза, В. Н. Козыренко. — М. : УДН, 1987. Ø Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Оптика» / Под ред. Н. М. Молчанова, А. Я. Терлецкий. — М. : УДН, 1990. Портал университета http: //web-local. rudn. ru/web-local/prep/rj/? id=56 Лекционные материалы можно получить по ссылке: http: //web-local. rudn. ru/web-local/prep/rj/files. php? f=pf_2 be 3 ad 27 bd 35 ae 62226 af 73 d 9 a 4 d 4245 Дополнительная Ø Детлаф А. А. , Яворский Б. М. Курс физики. — М. : Высшая школа, 1989. Ø Ремизов А. Н. Медицинская и биологическая физика. — М. : Высшая школа, 1996.

Физика – наука о наиболее простых и вместе с тем наиболее общих формах движения материи и их взаимных превращениях. ØОкружающий мир, все существующее вокруг и обнаруживаемое посредством ощущений представляет собой материю. ØНеотъемлемым свойством материи и формой ее существования является движение. ØДвижение в широком смысле слова – это всевозможные изменения материи – от простого перемещения до сложнейших процессов мышления. ØВсе взаимодействия осуществляются посредством полей (гравитационных, электромагнитных, полей ядерных сил). Ø Поле наряду с веществом является одной из форм существования материи.

«Физика - наука, изучающая общие свойства движения вещества и поля» А. И. Иоффе Свойства: Вещество Частицы дискретность, ограниченность 1. Взаимно превращаются: Материя 2. Частицы взаимодействуют посредством полей 3. Корпускулярно-волновой дуализм Поле Электромагнитное, гравитационное, … Свойства: Тёмное вещество ? непрерывность, безграничность Тёмная энергия ?

Движение – любое изменение Виды движения Разделы физики

ØИзучаемые физикой формы движения материи (механическая, тепловая и пр. ) присутствуют во всех высших и более сложных формах движения материи (химических, биологических и др. ). ØТеснейшая связь физики с другими отраслями естествознания привела к тому, что физика глубочайшими корнями вросла в астрономию, геологию, химию, биологию и др. Ø результате образовался ряд новых смежных дисциплин – В астрофизика, биофизика, геофизика, физическая химия, химическая физика и др.

Методы научного познания Наблюдение явления в естественных условиях Воспроизведение явления в контролируемых условиях Объясняет явление; нуждается в экспериментальной проверке

Теории никогда не выводят непосредственно из наблюдений; напротив, их создают для объяснения полученных из опыта фактов в результате осмысления этих фактов разумом человека. К атомистической теории, согласно которой вещество состоит из атомов, ученые пришли вовсе не потому, что кто-то реально наблюдал атомы (до 2009 г. это не удавалось никому). Представление об этом было создано творческим разумом человека. Аналогичным образом возникли фундаментальные теории: закон всемирного тяготения Ньютона, электромагнитная теория света, специальная теория относительности и др. Опыт – критерий истины. В результате обобщения экспериментальных фактов, а также результатов деятельности людей устанавливаются физические законы. 2009 г углерод 2010 г водород Харьков Япония

Физические законы – устойчивые повторяющиеся объективные закономерности, существующие в природе. Наиболее важные законы устанавливают связь между физическими величинами. А значит, эти величины необходимо измерять. Измерение физической величины есть действие, выполняемое с помощью средств измерений для нахождения значения физической величины в принятых единицах. Для построения системы единиц произвольно выбирают единицы для нескольких не зависящих друг от друга физических величин. Эти единицы называются основными. Остальные же величины и их единицы выводятся из законов, связывающих эти величины и их единицы с основными единицами. Они называются производными.

Основные величины (СИ) Метр (м) – длина пути, проходимого светом в вакууме за 1/299792458 с. Килограмм (кг) – масса, равная массе международного прототипа килограмма (платиноиридиевого цилиндра, хранящегося в международном бюро мер и весовв Севре, близ Парижа). Секунда (с) – время, равное 9192631770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома Cs-133. Кельвин (К) – 1/273. 16 часть термодинамической температуры тройной точки воды. Моль (моль) – количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько атомов содержится в нуклиде С-12 массой 0. 012 кг. Ампер (А) – сила постоянного тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м один от другого, создает между этими проводниками силу, равную 2. 10 -7 Н на каждый метр длины. Кандела (кд) – сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540. 1012 Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср. Радиан (рад) – угол между двумя радиусами окружности, длина дуги между которыми равна радиусу. Стерадиан (ср) – телесный угол с вершиной в центре сферы, вырезающий на поверхности сферы площадь, равную площади квадрата со стороной, равной радиусу

Модель Пренебрегаем несущественными свойствами объекта (явления); оставляем самые важные Примеры Материальная Тело, размерами которого можно пренебречь точка в данных условиях Абсолютно Тело, деформациями которого можно твёрдое тело пренебречь в данных условиях Упругая Такая деформация, что после снятия нагрузки деформация можно пренебречь остаточной деформацией

Механика Изучает простейшую форму движения – механическое перемещение тел Кинематика Динамика Даёт математическое Исследует описание движения без взаимодействие тел и исследования причин его влияние на механического механическое движение перемещения

Механика - наука о простом перемещении тел в пространстве и во времени. Масштабы: ØПространство Вселенной, доступное для наблюдения современными методами, достигает 1026 м. ØРазмеры ядер имеют порядок 10 -15 м. Ø опытах на мощных ускорителях исследуется структура частиц до В расстояния 10 -18 м. ØВремя существования вселенной оценивается в 10 18 с. Современные методы дают возможность измерять время жизни нестабильных частиц до 10 -11 с. ØЕстественным масштабом скоростей в природе служит скорость распространения электромагнитных возмущений (в том числе света) в вакууме c = 2, 998∙ 108 м/с.

Физику подразделяют на классическую физику и физику квантовую. Критерием применимости законов микро или макромира является универсальная константа - постоянная Планка ћ = 1, 054∙ 10 -34 кг∙м 2/с. ØДвижение макроскопических тел подчиняется классическим законам механики (не квантовым). ØДвижение частиц подчиняется квантовым законам, качественно отличным от классических, если хотя бы одна из характеристик движения, размерность которой - кг∙м 2/с, оказывается сравнимой с постоянной Планка. Если M∙υ∙R >> h, то движение – классическое, здесь M - масса частицы, υ – ее скорость, R – размер области, в которой происходит движение. ПРИМЕР: электрон в атоме водорода имеет M ≈ 10 -30 кг, υ = 10 6 м/с, R ≈ 10 -10 м (размер атома водорода), тогда M∙υ∙R ≈10 -34 ≈ h и движение подчиняется квантовым законам.

Кинематика Основные понятия Геометрическое место точек, представляющее совокупность Траектория мгновенных положений тела в выбранной системе отсчета. Путь (ΔS, Δl) Длина траектории Перемещение Вектор, соединяющий начальную и конечную точку (ΔS; Δr )

Кинематика Кинематика точки Кинематика твердого тела Ø Кинематика точки – изучает движение материальной точки, является базой для изучения движения точек твердого тела. Ø Задание движения точки – необходимо иметь возможность определения положения точки в пространстве в любой момент времени (система отсчета, хронометр). Три способа задания движения точки: Векторный способ: Координатный способ: Естественный способ: Задается величина и направление радиуса-вектора. Задаются координаты положения точки. Задаются закон движения точки и траектория. M O dy O Все три способа задания эквивалентны и связаны между собой: 1. Векторный и координатный – соотношением: 2. Координатный и естественный – соотношением:

В кинематике движение материальной точки характеризуется : формой траектории, длиной пути , вектором скорости и вектором ускорения. Вспомогательную роль играет вектор перемещения , соединяющий концы радиусов векторов в различные моменты времени. Y При прямолинейном движении вектор A ΔS перемещения является частью траектории. y 0 Δr B При криволинейном – он замыкает r. A рассматриваемую часть траектории r. B X x 0 При и криволинейном движении и и совпадает с направлением касательной к траектории в том месте, где в данный момент находится точка. Мгновенное положение точки определяется координатами Перемещение – зависимостями кинематические уравнения движения. В любой момент времени материальная точка имеет определенное и единственное положение, поэтому функции являются непрерывными и однозначными

Для практических целей важно знать расстояние, пройденное по траектории - путь Длина ломаной линии Si , будет приближаться к длине пути Если элементарное перемещение r i заменить бесконечно малым перемещением d. Si , то

Физический смысл скорости: средняя скорость численно равна перемещению (пути) за единицу времени

Вектор скорости можно представить в виде суммы составляющих Радиус вектор r также можно представить в виде суммы: * Дифференцируя выражение *, получим: Величина вектора скорости (его модуль) как и величина любого вектора находится как корень квадратный из суммы квадратов соответствующих проекций: Обратная задача - нахождение закона движения по заданной зависимости вектора скорости от времени находится путем интегрирования Принцип суперпозиции движений: скорость любого движения можно представить как результат сложения трех прямолинейных движений вдоль координатных осей X, Y и Z , т. е. любое сложное движение можно представить как сумму прямолинейных движений

Скорость – быстрота перемещения; производная пути (перемещения) по времени

В общем случае скорость изменяется как по величине, так и по направлению. Физический смысл ускорения: ускорение численно равно изменению скорости за единицу времени

При

Тангенциальное (касательное) ускорение характеризует быстроту изменения скорости по величине; численно равно производной величины скорости Нормальное (центростремительное) ускорение характеризует быстроту изменения скорости по направлению

При Полное ускорение всегда направлено внутрь криволинейной траектории характеризует быстроту изменения скорости по величине при ускорении при торможении

Классификация движений материальной точки № Вид движения пп Закон движения Траектория 1 = 0 [t, t 1] равномерное (v = const) прямолинейное (R = ) 2 = 0 [t, t 1] равномерное (v = const) криволинейное (R ) 2. 1 =0 = 0 [t, t 1] неравномерное (v const), прямолинейное (R = ) в момент в момент времени t 2. 2 времени t 0 [t, t 1] v = max криволинейное (R ) 3 = 0 [t, t 1] неравномерное (v const) прямолинейное (R = ) 0 [t, t 1] 3. 1 =0 перемена направления любая траектория в момент движения (v = 0 при t=t) времени t 3. 2 неравномерное (v const) перегиб траектории (R = при t=t) 4 0 [t, t 1] неравномерное (v const) криволинейное (R ) 5 = const [t, t 1] любое равнопеременное любая траектория

Вращательное движение вокруг оси Элементарные объемы твердого тела описывают окружности в плоскостях, перпендикулярных оси вращения. Каждый элементарный объем движется со скоростью Направление угловой скорости (вектор) определяется правилом правого винта. ω ω ε ε Связь между линейными и угловыми величинами

где Степени свободы. Углы Эйлера. Двигаясь в пространстве, твердое тело обладает определенными степенями свободы. Числе степеней свободы - это число независимых величин, которые необходимо задать для того, чтобы однозначно определить положение тела в пространстве. 1 cт св. (X) 2 ст. св. (X, ) 3 ст. св. (X, , ) 3 ст. св. (X, Y, ) Для того, чтобы однозначно задать положение твердого тела в пространстве, надо зафиксировать три его точки, не лежащие на одной прямой. • Одна материальная точка имеет три степени свободы (три декартовы координаты x, y, z). • Две материальные точки, жестко связанные между собой, имеют 3 + 3 - 1 = 5 степеней свободы. (координаты точек x 1, y 1, z 1 и x 2, y 2, z 2 не являются независимыми величинами, так как имеется уравнение связи) l- расстояние между точками. Для твердого тела : 3 + 3 - 3 = 6 степеней свободы (три уравнения связи, выражающие постоянство расстояний между каждой парой точек).

Шесть параметров, соответствующих шести степеням свободы твердого тела, можно задавать тремя различными декартовыми системами координат: • Лабораторная система XYZ. • Система x 0 y 0 z 0, начало которой связано с некоторой точкой O твердого тела, а оси остаются параллельными осям лабораторной системы XYZ. Система x 0 y 0 z 0 движется вместе с точкой О твердого тела относительно системы XYZ поступательно. • Система xyz, начало которой находится в той же точке О, что и начало системы x 0 y 0 z 0 оси жестко связаны с твердым телом. Шести степеням свободы тела соответствуют: три координаты точки О (в лабораторной системе XYZ), три угла Сложное движение тела может быть представлено как суперпозиция достаточно простых движений: поступательного перемещения и поворота (вращения) вокруг оси.

5 типов движения твердого тела, исчерпывающие встречающиеся на практике случаи: • поступательное движение; • вращение вокруг неподвижной оси; • плоское, или плоско-параллельное движение; • движение твердого тела с одной неподвижной точкой (сферическое движение); • движение свободного, то есть незакрепленного твердого тела.