Физика
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Общая физика
Издательство:
НИЦ ИНФРА-М
Год издания: 2013
Кол-во страниц: 600
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-985-475-548-9
Артикул: 421050.01.01
Доступ онлайн
В корзину
Пособие охватывает все основные темы курса физики, рассмотренные в традиционном порядке. Каждая тема включает краткие теоретические сведения, изложение которых сопровождается необходимыми иллюстрациями и таблицами. Приложения содержат перечень основных и дополнительных единиц СИ, а также приставки для образования кратных и дольных единиц.
Для студентов и преподавателей высших технических учебных заведений.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 09.03.01: Информатика и вычислительная техника
- 09.03.02: Информационные системы и технологии
- 09.03.03: Прикладная информатика
- 09.03.04: Программная инженерия
- 10.03.01: Информационная безопасность
- 11.03.01: Радиотехника
- 11.03.02: Инфокоммуникационные технологии и системы связи
- 11.03.03: Конструирование и технология электронных средств
- 11.03.04: Электроника и наноэлектроника
- 12.03.01: Приборостроение
- 12.03.02: Оптотехника
- 12.03.03: Фотоника и оптоинформатика
- 12.03.04: Биотехнические системы и технологии
- 12.03.05: Лазерная техника и лазерные технологии
- 13.03.01: Теплоэнергетика и теплотехника
- 13.03.02: Электроэнергетика и электротехника
- 13.03.03: Энергетическое машиностроение
- 14.03.01: Ядерная энергетика и теплофизика
- 14.03.02: Ядерные физика и технологии
- 15.03.01: Машиностроение
- 15.03.02: Технологические машины и оборудование
- 15.03.03: Прикладная механика
- 15.03.04: Автоматизация технологических процессов и производств
- 15.03.05: Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств
- 15.03.06: Мехатроника и роботехника
- 16.03.01: Техническая физика
- 16.03.02: Высокотехнологические плазменные и энергетические установки
- 16.03.03: Холодильная, криогенная техника и системы жизнеобеспечения
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
ФИЗИКА Допущено Министерством образования Республики Беларусь в качестве учебного пособия для курсантов и студентов учреждений высшего образования по техническим специальностям 2013 Минск Москва «Новое знание» «ИНФРАМ»
УДК 53(075.8) ББК 22.3я73 Ф50 Физика : учебное пособие / А.В. Ильюшонок [и др.]. — Минск : Новое знание ; М. : ИНФРА-М, 2013. — 600 с. : ил. — (Высшее образование). ISBN 978-985-475-548-9 (Новое знание). ISBN 978-5-16-006556-4 (ИНФРА-М) Пособие охватывает все основные темы курса физики, рассмотренные в традиционном порядке. Каждая тема включает краткие теоретические сведения, изложение которых сопровождается необходимыми иллюстрациями и таблицами. Приложения содержат перечень основных и дополнительных единиц СИ, а также приставки для образования кратных и дольных единиц. Для студентов и преподавателей высших технических учебных заведений. УДК 53(075.8) ББК 22.3я73 Ф50 © ООО «Новое знание», 2013 ISBN 978-985-475-548-9 (Новое знание) ISBN 978-5-16-006556-4 (ИНФРА-М) А в т о р ы : А.В. Ильюшонок, П.В. Астахов, И.А. Гончаренко, Н.С. Лешенюк, В.И. Терешенков Р е ц е н з е н т ы: кафедра физики Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники; доцент кафедры физики Белорусского национального технического университета, кандидат физико-математических наук П.Г. Кужир
Оглавление Введение............................................................................................................................11 Часть I. ФИЗИЧЕсКИЕ ОсНОВЫ МЕХаНИКИ Глава 1. Кинематика....................................................................................................14 1.1..Способы.описания.движения.материальной.точки.................................15 1.2..Путь.и.перемещение.............................................................................................16 1.3..Скорость....................................................................................................................17 1.4..Ускорение.и.его.составляющие........................................................................19 1.5..Кинематика.абсолютно.твердого.тела...........................................................23 1.6..Сложное.движение................................................................................................28 Глава 2. Динамика материальной точки и поступательного движения твердого тела.............................................................................................30 2.1..Динамические.законы.Ньютона.......................................................................30 2.1.1..Первый.закон.Ньютона...........................................................................30 2.1.2..Масса.и.импульс.тела..Сила..................................................................31 2.1.3..Второй.закон.Ньютона............................................................................32 2.1.4..Третий.закон.Ньютона.............................................................................34 2.2..Силы.в.механике....................................................................................................34 2.2.1..Силы.трения................................................................................................35 2.2.2..Силы.упругости..........................................................................................38 2.2.3..Сила.тяжести.и.вес...................................................................................42 2.3..Закон.сохранения.импульса..............................................................................43 2.3.1..Механическая.система.............................................................................43 2.3.2..Центр.масс....................................................................................................44 2.3.3..Закон.сохранения.импульса..................................................................46 2.3.4..Движение.тела.с.переменной.массой.................................................46 Глава 3. Работа и энергия.........................................................................................48 3.1..Работа.силы.............................................................................................................48 3.1.1..Работа.силы..Мощность..........................................................................48 3.1.2..Консервативные.и.диссипативные.силы..........................................50 3.2..Кинетическая.и.потенциальная.энергия......................................................51 3.2.1..Кинетическая.энергия..............................................................................51 3.2.2..Потенциальная.энергия...........................................................................52 3.3..Закон.сохранения.энергии.в.механике..........................................................55 3.4..Графическое.представление.энергии..............................................................56 3.5..Абсолютно.упругий.и.абсолютно.неупругий.удар...................................58
Оглавление Глава 4. Динамика вращательного движения...................................................62 4.1..Момент.силы.и.момент.импульса...................................................................62 4.2..Момент.инерции..Теорема.Штейнера............................................................65 4.3..Вращение.твердого.тела.вокруг.неподвижной.оси...................................67 4.4..Закон.сохранения.момента.импульса............................................................70 4.5..Кинетическая.энергия.вращающегося.тела.. Работа.при.вращении...........................................................................................71 4.6..Аналогии.между.поступательным.и.вращательным. движениями.............................................................................................................73 Глава 5. Всемирное тяготение. Неинерциальные системы отсчета........74 5.1..Закон.всемирного.тяготения.............................................................................74 5.2..Гравитационное.поле.и.его.характеристики................................................75 5.3..Неинерциальные.системы.отсчета..................................................................78 Глава 6. Основные понятия специальной теории относительности........83 6.1..Принцип.относительности.Галилея................................................................83 6.2..Постулаты.специальной.теории.относительности.. Относительность.одновременности...............................................................85 6.3..Преобразования.Лоренца.и.следствия.из.них............................................87 6.4..Интервал.между.событиями..............................................................................90 6.5..Элементы.релятивистской.динамики............................................................91 Глава 7. Механика жидкостей и газов.................................................................95 7.1..Гидростатика............................................................................................................95 7.2..Гидродинамика.идеальной.жидкости.............................................................97 7.2.1..Уравнение.неразрывности......................................................................98 7.2.2..Уравнение.Бернулли.................................................................................99 7.3..Вязкость.жидкостей...........................................................................................102 Глава 8. Механические колебания.....................................................................107 8.1..Гармонические.колебания...............................................................................107 8.1.1..Характеристики.гармонических.колебаний.................................107 8.1.2..Дифференциальное.уравнение.свободных. гармонических.колебаний....................................................................109 8.1.3..Скорость,.ускорение.и.энергия.при.гармонических. колебаниях.................................................................................................110 8.2..Пружинный,.физический.и.математический.маятники......................111 8.3..Свободные.затухающие.колебания..............................................................114 8.4..Вынужденные.колебания..Резонанс............................................................116 8.5..Сложение.гармонических.колебаний.одного.направления................118
Оглавление 5 Глава 9. Упругие волны...........................................................................................121 9.1..Продольные.и.поперечные.волны..Длина.волны...................................121 9.2..Уравнение.плоской.гармонической.волны...............................................123 9.3..Интерференция.волн..Стоячие.волны........................................................124 9.4..Звуковые.волны..Ультразвук..........................................................................126 Часть II. ОсНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИКИ И тЕРМОДИНаМИКИ Глава 10. Идеальные газы......................................................................................130 10.1..Статистический.и.термодинамический.методы...................................130 10.2..Температура..Количество.вещества...........................................................133 10.3..Законы.идеальных.газов................................................................................135 10.4..Уравнение.состояния.идеального.газа.....................................................138 Глава 11. Основные положения молекулярно-кинетической теории идеального газа...........................................................................................140 11.1..Основное.уравнение.молекулярно‑кинетической.теории................140 11.2..Распределение.энергии.по.степеням.свободы.......................................144 11.3..Распределение.Максвелла............................................................................145 11.4..Барометрическая.формула..Распределение.Больцмана....................149 11.5..Средняя.длина.свободного.пробега.молекул.........................................151 Глава 12. Основы термодинамики......................................................................154 12.1..Внутренняя.энергия........................................................................................154 12.2..Работа.и.теплота...............................................................................................156 12.3..Первое.начало.термодинамики...................................................................158 12.4..Теплоемкость......................................................................................................159 12.5..Изопроцессы.в.идеальных.газах.................................................................162 12.6..Обратимые.и.необратимые.процессы..Циклы......................................166 12.7..Второе.начало.термодинамики...................................................................170 12.8..Энтропия.............................................................................................................172 Глава 13. Реальные газы, жидкости, твердые тела.....................................177 13.1..Силы.и.потенциальная.энергия.межмолекулярного. взаимодействия.................................................................................................177 13.2..Уравнение.Ван‑дер‑Ваальса.........................................................................178 13.3..Изотермы.реальных.газов.............................................................................180 13.4..Фазовые.переходы...........................................................................................186 13.5..Жидкости..Поверхностное.натяжение.....................................................189 13.6..Твердые.тела.......................................................................................................195
Оглавление Глава 14. Элементы физической кинетики.....................................................200 14.1..Флуктуация.и.релаксация............................................................................200 14.2..Процессы.переноса..........................................................................................201 14.3..Молекулярно‑кинетическая.теория.процессов.переноса.в.газах.....203 14.4..Теплопроводность.твердых.тел...................................................................205 14.5..Связь.времени.релаксации.с.размерами.области.флуктуации.......206 Часть III. ЭЛЕКтРИЧЕстВО И МаГНЕтИЗМ Глава 15. Электростатика.......................................................................................208 15.1..Электрический.заряд..Закон.сохранения.заряда...............................208 15.2..Закон.Кулона...................................................................................................209 15.3..Электрическое.поле..Напряженность.электрического.поля..........211 15.4..Силовые.линии...............................................................................................213 15.5..Поток.вектора.напряженности..................................................................215 15.6..Теорема.Остроградского.—.Гаусса...........................................................216 15.7..Электрическое.поле.однородно.заряженного.шара..........................219 15.8..Циркуляция.вектора.напряженности.....................................................220 15.9..Работа.электрического.поля..Разность.потенциалов.......................222 15.10..Потенциал.электростатического.поля....................................................224 15.11..Связь.потенциала.с.напряженностью....................................................227 15.12..Электрический.диполь.................................................................................228 15.13..Проводники.в.электрическом.поле.........................................................232 15.14..Поле.вблизи.поверхности.проводника..................................................234 15.15..Электрическое.поле.между.двумя.заряженными.плоскостями....236 15.16..Электроемкость...............................................................................................238 15.17..Конденсаторы..................................................................................................239 15.18..Энергия.электростатического.поля.........................................................241 15.19..Способы.соединения.конденсаторов......................................................242 15.20..Диэлектрики..Свободные.и.связанные.заряды.в.диэлектрике.....245 15.21..Поляризация.диэлектриков.......................................................................245 15.22..Роль.диэлектриков.в.конденсаторах......................................................251 15.23..Поляризация.диэлектриков.в.отсутствие.электрического.поля....252 Глава 16. Постоянный ток......................................................................................257 16.1..Электрический.ток........................................................................................257 16.2..ЭДС.источника.тока..Напряжение.на.участке.цепи........................259 16.3..Закон.Ома.для.участка.цепи.и.для.полной.цепи..............................262 16.4..Закон.Ома.в.дифференциальной.форме...............................................265 16.5..Закон.Джоуля.—.Ленца...............................................................................266 16.6..Способы.соединения.резисторов.............................................................267 16.7..Правила.Кирхгофа.........................................................................................268
Оглавление 7 16.8..Способы.соединения.источников.тока..................................................270 16.9..КПД.электрической.цепи............................................................................272 16.10..Проводимость.и.сопротивление.проводников....................................274 16.11..Электрический.ток.в.металлах.................................................................277 16.12..Ток.в.вакууме..Термоэлектронная.эмиссия..........................................279 16.13..Контактная.разность.потенциалов..........................................................281 16.14..Термоэлектрические.явления....................................................................283 16.15..Электрический.ток.в.газе............................................................................286 16.16..Ток.в.жидкостях..Законы.Фарадея.........................................................291 16.17..Понятие.о.плазме...........................................................................................295 16.18..Вакуумные.диод.и.триод.............................................................................297 16.19..Зонная.теория.энергетического.спектра.электронов. в.твердом.теле.................................................................................................301 16.20..Заполнение.зон:.металлы,.полупроводники,.диэлектрики............304 16.21..Уровень.Ферми...............................................................................................307 16.22..Дырочная.проводимость..............................................................................308 16.23..Собственные.и.примесные.полупроводники.......................................310 16.24..Полупроводниковый.переход..Полупроводниковый.диод.............312 16.25..Транзистор..Усилитель.на.транзисторе..................................................314 Глава 17. Магнитное поле.......................................................................................318 17.1..Магнитное.поле.и.его.характеристики..................................................318 17.2..Закон.Био.—.Савара.—.Лапласа..............................................................320 17.3..Магнитное.поле.прямолинейного.проводника.с.током..................321 17.4..Магнитное.поле.кругового.тока...............................................................322 17.5..Магнитное.поле.движущегося.заряда....................................................323 17.6..Закон.Ампера..................................................................................................325 17.7..Определение.единицы.силы.тока.—.ампера........................................326 17.8..Виток.с.током.в.магнитном.поле.............................................................327 17.9..Поток.и.циркуляция.вектора.магнитной.индукции.. Вихревой.характер.магнитного.поля.....................................................328 17.10..Магнитное.поле.соленоида.........................................................................331 17.11..Действие.магнитного.поля.на.движущийся.заряд.. Сила.Лоренца..................................................................................................332 17.12..Движение.заряженных.частиц.в.магнитном.поле.............................333 17.13..Работа.по.перемещению.проводника.с.током. в.магнитном.поле...........................................................................................335 Глава 18. Магнитные свойства вещества.........................................................337 18.1..Магнитное.поле.в.веществе..Намагниченность....................................337 18.2..Напряженность.магнитного.поля.. Магнитная.проницаемость.среды..............................................................339
Оглавление 18.3. Типы магнетиков .............................................................................................342 18.4. Магнитный гистерезис. Спиновая природа ферромагнетизма. Точка Кюри........................................................................................................344 Глава 19. Электромагнитная индукция............................................................348 19.1. Явление и закон электромагнитной индукции. Закон Ленца........348 19.2. Самоиндукция. Индуктивность.................................................................350 19.3. Явление взаимной индукции. Взаимоиндуктивность.......................352 19.4. Трансформатор .................................................................................................354 19.5. Энергия магнитного поля ............................................................................357 Глава 20. Уравнения Максвелла.........................................................................359 20.1. Ток смещения....................................................................................................359 20.2. Уравнения Максвелла в интегральной форме .....................................361 20.3. Скорость распространения электромагнитного поля. Вектор Умова — Пойтинга...........................................................................362 Глава 21. Переменный ток ....................................................................................368 21.1. Получение, параметры, квазистационарные цепи переменного тока..........................................................................................368 21.2. Свободные и затухающие колебания в колебательном контуре...371 21.3. Переменный ток в цепи с активным сопротивлением ...................379 21.4. Переменный ток в цепи с индуктивностью и активным сопротивлением.............................................................................................380 21.5. Переменный ток в цепи с емкостью и активным сопротивлением. Емкостное сопротивление......................................382 21.6. Вынужденные колебания в электрической цепи. Закон Ома для цепи переменного тока................................................385 21.7. Резонанс напряжений..................................................................................389 21.8. Резонанс токов...............................................................................................392 21.9. Мощность в цепи переменного тока......................................................395 21.10. Выпрямитель переменного тока. Сглаживающие фильтры..........400 21.11. Преобразование и детектирование электрических сигналов .......402 21.12. Принцип работы радиопередатчика и супергетеродинного приемника........................................................................................................404 Часть IV. ФИЗИЧЕсКаЯ ОПтИКа Глава 22. Описание световых полей.................................................................408 Глава 23. Геометрическая оптика.......................................................................415 Глава 24. Фотометрия.............................................................................................421
Оглавление 9 Глава 25. Интерференция света..........................................................................429 25.1..Интерференция.монохроматических.волн.............................................430 25.2..Когерентность.и.интерференция.квазимонохроматических. волн........................................................................................................................434 25.3..Наблюдение.и.применение.интерференции..........................................440 25.3.1..Классические.интерференционные.схемы................................440 25.3.2..Интерференция.в.тонких.пленках...............................................443 25.3.3..Интерферометр.Майкельсона........................................................450 Глава 26. Дифракция света....................................................................................453 26.1..Принцип.Гюйгенса.—.Френеля...................................................................453 26.2..Зоны.Френеля..Дифракция.Френеля.на.простейших. препятствиях......................................................................................................455 26.3..Дифракция.Фраунгофера..Дифракционная.решетка.........................462 26.4..Дифракция.рентгеновских.лучей...............................................................469 26.5..Принцип.голографии......................................................................................472 Глава 27. Взаимодействие электромагнитных волн с веществом.........477 27.1..Поглощение.света.............................................................................................477 27.2..Дисперсия.света................................................................................................479 27.3..Рассеяние.света.................................................................................................486 Глава 28. Поляризация света................................................................................491 28.1..Естественный.и.поляризованный.свет.....................................................491 28.2..Поляризация.при.отражении.света...........................................................493 28.3..Двойное.лучепреломление............................................................................495 28.4..Искусственная.оптическая.анизотропия.................................................500 28.5..Вращение.плоскости.поляризации............................................................503 Часть V. ОсНОВЫ КВаНтОВОЙ ФИЗИКИ Глава 29. тепловое излучение..............................................................................508 29.1..Законы.теплового.излучения.......................................................................508 29.2..Формула.Планка..Фотоны............................................................................515 29.3..Оптическая.пирометрия................................................................................517 Глава 30. Корпускулярные свойства света.....................................................522 30.1..Давление.света...................................................................................................522 30.2..Фотоэффект........................................................................................................524 30.3..Эффект.Комптона............................................................................................528 30.4..Корпускулярно‑волновой.дуализм.света................................................530
Оглавление Глава 31. Элементы квантовой механики........................................................532 31.1..Атомные.спектры..Атом.водорода.по.Бору............................................532 31.2..Гипотеза.де.Бройля..Соотношения.неопределенностей....................539 31.3..Волновая.функция.и.ее.статистический.смысл...................................542 31.4..Уравнение.Шрёдингера..................................................................................544 31.5..Простейшие.задачи.квантовой.механики...............................................546 31.5.1..Свободная.частица.в.квантовой.механике...............................546 31.5.2..Туннельный.эффект..........................................................................547 31.5.3..Частица.в.бесконечно.глубокой.потенциальной.яме...........550 31.5.4..Гармонический.осциллятор............................................................552 Глава 32. Элементы физики атомов и молекул.............................................555 32.1..Атом.водорода.в.квантовой.механике......................................................555 32.2..Спин.и.системы.тождественных.частиц..................................................560 32.3..Молекулярные.спектры.................................................................................566 32.4..Люминесценция..Спектральный.и.люминесцентный.анализ.........568 32.5..Спонтанное.и.вынужденное.излучение.света..Лазеры......................573 Часть VI. сОВРЕМЕННаЯ ФИЗИЧЕсКаЯ КаРтИНа МИРа Глава 33. Физика атомного ядра.........................................................................580 33.1..Характеристики.ядер......................................................................................580 33.2..Ядерные.силы....................................................................................................581 33.3..Дефект.массы.и.энергия.связи.ядра.........................................................583 33.4..Ядерные.реакции..............................................................................................585 33.5..Радиоактивность...............................................................................................588 Глава 34. Элементарные частицы. Виды взаимодействий.......................591 Глава 35. структурная организация вещества во Вселенной.................595 Приложения..................................................................................................................597 Литература....................................................................................................................599
Введение Предмет физики. Задачи курса. Слово «физика» происходит от греческого природаатстрогое определеие предета физиприродаатстрогое определеие предета физиприродаатстрогое определеие предета физики, как, впроче, и любой другой ауки, сложоОожет бытраскрыт толко по ере его деталого изложеияПо определеию акадеика АФИоффе, физика аука, изучающая общие свойства и закоы движеия вещества и поляВещество и поле форы существоваия атерииСледователо, физика аука о аиболее общих и, вследствие этого, аиболее простых форах движеия атериивижеие атерии происходит в прострастве и врееиПростраство и врея являются важейшии фораи бытия атерииПространство выражает порядок сосуществоваия отделых объектовВремя определяет порядок сеы явлеийИзучаеые физикой форы движеия (ехаическое, тепловое, вутреее и др) присутствуют во всех высших, более сложых форах движеия атерии (хиических, биологических и др)Физика дает общие закоы, которыи ползуются осталые естествеые ауки и техика, приеяя их в отделых частых случаяхВ силу этого физика является одой из базовых дисциплидля болшого числа общеижеерых и специалых дисциплиИзучеие курса физики способствует развитию у будущих ижееров аучого ировоззреия, а осове которого складываются представлеия о соврееой физической картие ира и физических аспектах чрезвычайых ситуацийНе еее важыдля будущего специалиста является овладеие авыкаи физического ышлеия, а также прибораи и техикой физического экспериетаВсе это создает осову для успешой последующей саостоятелой деятелости ижеераспасателяМетодология физического исследования. Физика аука экспериеталая, ее закоы базируются а фактах, устаовлеых опытыпутеОсовыетодоисследоваия в физике является эксперимент (опыт) аблюдеие исследуеых явлеий в точо учитываеых условиях, позволяющих следитза ходоявлеий и огократо его воспроизводитпри повтореии этих условийля объясеия экспериеталых фактов выдвигаются гипотезыГипотеза (от гречосоваие, предположеие) едокаосоваие, предположеие) едокаосоваие, предположеие) едоказаое предположеие (догадка), выдвигаеое для объясеия какоголибо явлеияЕсли впоследствии гипотеза доказывается в резултате опытой проверки и теоретического обосоваия, то оа стаовится достоверой осовой аучой теории12 Введение Теория оперирует физическими понятиями и законами. Физическое понятие — это обобщенное представление о сущности физического явления (процесса), например скорость, ускорение. Физические законы являются обобщением результатов большого числа наблюдений. Они не только позволяют понять и объяснить многие явления природы, но и обладают предсказательной силой, т.е. дают возможность прогнозировать результаты экспериментов. Физическая величина и ее измерение. Многие физические законы устанавливают количественную связь между физическими понятиями. Физическое понятие, соотнесенное с числовым значением, называется физической величиной. Измерение физической величины — это сравнение ее с определенным эталоном, принятым за единицу измерения. Сколько раз эталон уложится в измеряемой величине, таким и будет ее численное значение. Можно сказать, что физическая величина имеет две составляющие: численное значение и единицу измерения. Для обозначения единицы измерения величины используют квадратные скобки, в которые заключают символ этой величины: [v] = м/с, [ρ] = кг/м3 (единица скорости — метр в секунду, единица плотности — килограмм на кубический метр). Совокупность единиц физических величин, образованная в соответствии с принятыми правилами и принципами, называется системой единиц. Системные единицы подразделяются на основные, выбираемые произвольно и не зависящие друг от друга (метр, секунда и т.п.), и производные, образуемые из законов, связывающих эти величины с основными. Международная система единиц (Система Интернациональная, меж дународное сокращенное наименование — SI, в русской транскрипции — СИ) имеет семь основных единиц и две дополнительные (прил. 1, 2). В тех случаях, когда значение физической величины много больше или меньше единицы, используют специальные приставки (прил. 3), которые указывают перед обозначением этой величины (1 км = 103 м, 1 мкс = = 10-6 с). Размерностью физической величины называется ее выражение в основных единицах системы. Для обозначения размерности используется символ dim (от англ. dimension — размер). В механике формула размерности некоторой физической величины X имеет вид dimX = LαMβTγ, где L, M, T — символы длины, массы и времени; α, β, γ — вещественные числа. Например, формула размерности скорости имеет вид dimv = LT-1, плотности — dimρ = ML-3. В любых уравнениях, описывающих физические явления, размерности левой и правой частей должны совпадать.
Физические основы механики
Глава 1 Кинематика Механика.—.часть.физики,.которая.изучает.простейшую.фор‑ му.движения.материи.—.механическое.движение.и.причины,.из‑ меняющие.это.движение..Механическое движение.—.изменение. с.течением.времени.взаимного.расположения.тел.или.их.частей. Различают.классическую.(Галилея.—.Ньютона),.релятивист‑ скую.(теория.относительности).и.квантовую.механику..Классическая механика.изучает.законы.движения.макроскопических.тел,. скорости.которых.малы.по.сравнению.со.скоростью.света.с..Релятивистская механика.изучает.законы.движения.макроскопических. тел.со.скоростями,.близкими.к.скорости.света..Квантовая механика изучает.поведение.микроскопических.объектов.(молекулы,.атомы,. элементарные.частицы). Механика.делится.на.три.раздела:.кинематику,.динамику.и.ста‑ тику..Кинематика.изучает.законы.движения.тел,.не.рассматривая. причины,.приводящие.к.этому.движению..Динамика.изучает.дви‑ жение.тел.совместно.с.причинами,.которые.вызывают.либо.изме‑ няют.это.движение..Статика.изучает.законы.равновесия.тел..По‑ скольку.состояние.покоя.является.частным.случаем.движения,.то. из.законов.динамики.можно.установить.законы.равновесия..Поэ‑ тому.мы.не.будем.рассматривать.статику.отдельно.от.динамики. Для.описания.физических.явлений.вводят.некоторые.абстракт‑ ные.модели,.которые.призваны.упростить.это.описание.за.счет.от‑ ражения.только.наиболее.существенных.сторон.рассматриваемых. явлений..Простейшей.моделью.является.материальная точка.—. тело,.размерами.которого.в.данной.задаче.можно.пренебречь..Такая. абстракция.позволяет.отвлечься.от.физических.размеров.объекта. и. задавать. его. положение. в. пространстве. с. помощью. координат. геометрической. точки,. что. существенно. упрощает. решение. раз‑ личных.практических.задач..Например,.рассматривая.движение. пожарного.автомобиля.от.депо.до.места.вызова,.автомобиль.удоб‑ но.принять.за.материальную.точку. Всякое.макроскопическое.тело.(или.систему.тел).можно.мыс‑ ленно.разбить.на.взаимодействующие.между.собой.части,.малые. по.сравнению.с.размерами.тела..Каждую.из. таких. частей. можно. рассматривать.как.материальную.точку,.а.само.тело.(систему.тел).—. как.систему.материальных.точек.
Глава 1. Кинематика 15 1.1. Способы описания движения материальной точки Описать. движение. тела. (материальной. точки). —. значит. ука‑ зать. его. положение. в. каждый. момент. времени.. Положение. тела. в.пространстве.можно.определить.только.по.отношению.к.другому. телу..В.общем.случае.выбор.такого.тела.произволен..Это.тело.мож‑ но.выбрать.и.так,.чтобы.рассматриваемая.материальная.точка.отно‑ сительно.его.покоилась.(сидящий.пассажир.в.вагоне.электрички. движется.по.отношению.к.станции,.но.покоится.относительно.ва‑ гона)..Следовательно,.механическое.движение.имеет.относительный характер. Произвольно.выбранное.тело,.относительно.которого.задается. положение.материальной.точки.в.пространстве,.называется.телом (точкой) отсчета..Связанные.с.телом.отсчета.система.координат. и.часы.(способ.измерения.времени).называются.системой отсчета..Для.описания.движения.материальной.точки.используются.три. способа:.векторный,.координатный.и.естественный.(траекторный). Векторный способ. При.этом.способе.из. точки. отсчета. О. в. направлении.движущейся. точки.М.проводят.радиус‑вектор. r .(рис..1.1).. Если.известен.вид.функции r r t = ( ),. (1.1) то. можно. определить. положение. точки. М в. любой. момент. времени.. Уравнение. (1.1). представляет. собой. кинематическое. уравне‑ ние.движения.в.векторной.форме. Координатный способ. В.этом.случае.положение.тела.задается. в.системе.координат,.связанной.с.точкой.отсчета..В.используемой. наиболее.часто.декартовой.системе.координат.положение.движу‑ щейся.точки.М.определяется.тремя.координатами.x,.y,.z.(рис..1.2),. которые.изменяются.во.времени..Кинематические.уравнения.дви‑ жения.в.координатной.форме.имеют.вид x = x(t);. y = y(t);. z = z(t).. (1.2) Число.независимых.координат,.полностью.определяющих.поло‑ жение.тела.в.пространстве,.называется.числом степеней свободы.. Рис. 1.1
Часть I. Физические основы механики Обозначим.его.i..Для.материальной.точки.в.пространстве.i =.3,. в.случае.движения.точки.по.плоскости.—.i =.2,.по.прямой.—.i =.1. Естественный (траекторный) способ. Воображаемая линия,. описываемая. в. пространстве. движущейся. точкой,. называется. траекторией.. Если. точка. М. движется. по. некоторой. заданной. траектории,.то.на.траектории.выбирают.начало.отсчета.(точка.О на.рис..1.3),.положительное.и.отрицательное.направления.отсчета.. Положение.точки.задают.дуговой координатой s*.—.длиной.дуги. ОМ со.знаком,.определяемым.направлением.отсчета..Уравнение s* = s*(t). (1.3) описывает.движение.точки.по.заданной.траектории. В. зависимости. от. формы. траектории. выделяют. плоское. (все. точки.траектории.лежат.в.одной.плоскости),.прямолинейное,.кри‑ волинейное. движение.. Частный. случай. криволинейного. движе‑ ния.—.движение.по.окружности. 1.2. Путь и перемещение Пусть.материальная.точка.движется.вдоль.некоторой.траекто‑ рии..В.начальный.момент.времени.t.она.находится.в.точке.A,.спустя. интервал.времени.∆t —.в.точке.B.(рис..1.4)..Длиной пути (путем) ∆s.называется.длина.участка.траектории,.пройденного.материаль‑ ной.точкой.за.рассматриваемый.интервал.времени.∆t..Если.за.рас‑ сматриваемый.интервал.времени.точка.движется.в.одном.направ‑ лении.от A.к.B,.то.длина.пути.будет.равна.длине.дуги.AB..В.том. Рис. 1.2 М О x z y x z y r Рис. 1.3
Глава 1. Кинематика 17 случае, когда направление движения изменяется, для нахождения пути необходимо разбить траекторию на участки так, чтобы на каждом из них точка двигалась без изменения направления. Длина пути в этом случае будет равна сумме длин этих участков. Перемещением (вектором перемещения) ∆r называется вектор, проведенный из начального положения движущейся точки в ее положение в данный момент времени. Как видно из рис. 1.4, ∆ r r r = − 2 1, (1.4) где r1 и r2 — радиус-векторы точки в начальный и данный моменты времени. Очевидно, что модуль вектора перемещения за интервал времени ∆t не может быть больше длины пути, пройденного за то же время: ∆ ∆ r s ≤ . Знак равенства имеет место только в том случае, когда точка движется вдоль прямой в одном направлении. Поскольку достаточно малый участок любой траектории можно считать прямолинейным, то при стремлении промежутка времени ∆t к нулю справедливо равенство lim ∆ ∆ ∆ t r s → = 0 1 , (1.5) т.е. при уменьшении промежутка времени ∆t модуль перемещения стремится к длине пути. 1.3. Скорость Важнейшими кинематическими величинами, характеризующими движение материальной точки, являются скорость и ускорение. Скорость характеризует быстроту и направление движения. Под быстротой движения мы понимаем расстояние, проходимое движущейся точкой за единицу времени. Рис. 1.4 О r r2 r1 S A B v v
Часть I. Физические основы механики Пусть.в.начальный.момент.времени.t.движущееся.тело.нахо‑ дится.в.точке.A,.а.спустя.интервал.времени.∆t.оно,.совершив.пере‑ мещение.∆r .и.пройдя.путь.∆s,.оказывается.в.точке.B.(см..рис..1.4).. Вектором средней скорости.в.интервале.времени.от.t.до.t + ∆t называется.физическая.величина,.равная.отношению.вектора.пе‑ ремещения. ∆r .к.величине.временного.интервала,.за.который.это. перемещение.произошло: v r t = ∆ ∆ .. (1.6) Как.видно.из.(1.6),.направление.вектора.средней.скорости.со‑ впадает.с.направлением.перемещения. Средней скоростью.(средней путевой скоростью).называется. физическая.величина,.равная.отношению.длины.пути.к.величине. временного.интервала,.за.который.этот.путь.пройден: v s t = ∆ ∆ .. (1.7) Вектор.средней.скорости.(и.средняя.скорость).характеризует. движение.за.промежуток.времени.∆t..Для.характеристики.быстро‑ ты.и.направления.движения.в.данный.момент.времени.t.вводится. вектор.мгновенной.скорости. v .—.предел,.к.которому.стремится. вектор.средней.скорости.при.стремлении.величины.временного. промежутка.∆t.к.нулю: v v r t r t t r t t t t t = = = + − → → → lim lim lim ( ) ( ) ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ 0 0 0 .. (1.8) В.математике.предел,.определяемый.формулой.(1.8),.называ‑ ется.производной.функции.r t( ).по.аргументу.t.и.обозначается. dr dt или. r .. Таким. образом,. вектор мгновенной скорости. —. это. век‑ торная. величина,. равная. первой. производной. радиус‑вектора. по. времени: v dr dt = .. (1.9) В.пределе.точка.B.стремится.к.точке.A.и.элементарное.пере‑ мещение. ∆r . будет. направлено. вдоль. касательной,. проведенной. в.точке.А..Следовательно,.вектор.мгновенной.скорости.направлен. по.касательной.к.траектории.(см..рис..1.4).
Глава 1. Кинематика 19 Модуль вектора мгновенной скорости. (мгновенная скорость).равен.первой.производной.пути.по.времени: v v r t r t s t ds dt t t t = = = = = = → → → lim lim lim ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ 0 0 0 см. (1.5) .. (1.10) В.случае.естественного.(1.3).способа.задания.движения v ds dt = * . При.координатном.(1.2).способе.описания.движения.проекции. вектора. v.на.декартовы.оси.координат: v dx dt x = ;. v dy dt y = ;. v dz dt z = ,. (1.11) мгновенная.скорость v v v v dx dt dy dt dz dt x y z = + + = + + 2 2 2 2 2 2 .. (1.12) Если.модуль.вектора.мгновенной.скорости.остается.постоян‑ ным.(v =.cn),.то.движение.называется.равномерным..В.случае. равномерного.движения.путь.s,.пройденный.за.промежуток.време‑ ни.∆t,.равен s = v∆t.. (1.13) При.неравномерном.движении.длину.пути.можно.найти,.про‑ интегрировав.выражение.(1.10): s v t dt t t t = + ∫ ( ) ∆ .. (1.14) Единица.измерения.скорости.в.СИ.—.метр.в.секунду.([v].=.м/с). 1.4. Ускорение и его составляющие В.общем.случае.вектор.мгновенной.скорости.может.изменяться. по.величине.и.направлению. Ускорение.—.векторная.величина,.харак‑ теризующая.быстроту.изменения.скорости.по.модулю.и.направлению..
Доступ онлайн
В корзину