Реферат: Учебное пособие Уфа 2008 удк 531(075. 3) Ббк 22. 2я73

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ им. М. Акмуллы


М. А. ФАТЫХОВ

МЕХАНИКА


Учебное пособие


Уфа 2008
УДК 531(075.3)
ББК 22.2я73

Ф 27


Печатается по решению редакционно-издательского совета

Башкирского государственного педагогического университета
им. М.Акмуллы


Фатыхов М.А. Механика [Текст]: учеб. пособие. – Уфа: Изд-во БГПУ, 2008. – 220 с.


Учебное пособие представляет собой конспект лекций по курсу «Механика», который автор в течение многих лет читает студентам специальности «Физика». Необходимость такого учебного пособия связана с тем, что имеющиеся учебники не соответствуют программе данного курса, что затрудняет освоение этого сложного материала. Для организации самостоятельной работы после каждого раздела приведены контрольные вопросы.

Пособие предназначено студентам педагогического университета специальности “Физика”.


^ Рецензенты: Н.Г. Мигранов, д-р ф.-м. н., проф. (БГПУ);

М.А. Шамсутдинов, д-р ф.-м. н., проф. (БГУ).


ISBN 978-5-87978-444-2

© Издательство БГПУ, 2008

© Фатыхов М.А., 2008




СОДЕРЖАНИЕ


Предисловие 9

Программа курса “Механика” 10

Лекция №1. Введение 19

1. Предмет физики, её связь с другими естественными науками 19

2. Методы физических исследований 20

3. Роль модельных представлений в физике 23

4. Физические величины, их измерение и оценка точности
и достоверности полученных результатов 25

5. Системы единиц физических величин 26

Контрольные вопросы 28

Лекция №2. Кинематика материальной точки
при прямолинейном движении 29

1. Кинематические законы движения материальной точки 29

2. Скорость и ускорение при прямолинейном движении 33

Контрольные вопросы 36

Лекция №3. Кинематика материальной точки
при криволинейном движении 37

1. Скорость материальной точки при криволинейном движении 37

2. Ускорение материальной точки при криволинейном движении 39

3.Ускорение при движении материальной точки по окружности 42

4. Кинематика вращательного движения материальной точки 44

Контрольные вопросы 46

Лекция №4. Динамика материальной точки 48

1. Первый закон Ньютона 48

2. Масса 50

3. Сила 51

4. Второй закон Ньютона 52

5. Третий закон Ньютона 53

6. Импульс. Общая формулировка второго закона Ньютона 54

7. Виды взаимодействий тел 55

8. Гравитационные силы (силы тяготения) 58

9. Сила тяжести и вес. Невесомость 59

10. Силы трения 61

Контрольные вопросы 64

Лекция №5. Динамика системы материальных точек 67

1. Центр масс системы материальных точек 67

2. Закон сохранения импульса 69

3. Движение тел с переменной массой. Реактивное движение 72

4. Задача двух тел. Приведенная масса 74

Контрольные вопросы 75

Лекция №6. Законы сохранения 77

1. Работа 77

2. Энергия и работа 79

3. Кинетическая энергия и работа 80

4. Потенциальная энергия 81

5. Закон сохранения и превращения механической энергии 82

6. Соударение двух тел 84

7. Момент силы относительно неподвижного центра 86

8. Момент импульса относительно неподвижного центра 87

9. Закон сохранения момента импульса 88

10. Законы сохранения и симметрия пространства и времени 90

Контрольные вопросы 92

Лекция №7. Механика твердого тела 95

1. Понятие об абсолютно твердом теле 95

2. Твердое тело как система материальных точек 95

3. Поступательное движение твердого тела 97

4. Вращательное движение твердого тела 98

5. Плоское движение твердого тела 101

6. Момент силы относительно оси 103

7. Момент пары сил 104

8. Второй закон Ньютона для вращающегося твердого тела 105

9. Момент инерции твердого тела 107

10. Теорема Штейнера 109

11. Закон сохранения момента импульса при вращательном движении 110

12. Кинетическая энергия вращающегося тела 111

13. Кинетическая энергия тела при плоском движении 112

14. Свободные оси вращения 114

15. Гироскоп 115

16. Степени свободы и связи абсолютно твердого тела 118

17. Условия равновесия твердого тела. Виды равновесия 120

18. Центр тяжести 121

Контрольные вопросы 122

Лекция №8. Механика деформируемых тел 124

1. Упругие силы 124

2. Виды упругих деформаций 126

3. Упругие и пластические деформации.
Предел упругости и предел прочности 130

4. Всестороннее растяжение и сжатие 131

5. Энергия упругой деформации 133

6. Кручение 134

Контрольные вопросы 137

Лекция №9. Механика жидкостей и газов 138

1. Механические свойства жидкостей и газов 138

2. Гидростатика 138

3.Гидродинамика 140

4. Описание движения жидкостей.
Уравнение неразрывности струи 140

5. Уравнение Бернулли 142

6. Вязкость 147

7. Ламинарное и турбулентное течения 148

8. Течение вязкой жидкости в круглой трубе. Формула Пуазейля 149

9. Движение тел в жидкостях и газах. Закон Стокса 152

10. Истечение жидкости из отверстия 155

Контрольные вопросы 156

Лекция №10. Движение в неинерциальных системах отсчета 157

1. Неинерциальные системы отсчета 157

2. Силы инерции 158

3. Силы инерции при ускоренном поступательном движении
системы отсчета 159

4. Силы инерции при равномерном вращательном
движении системы отсчета. Центробежная сила инерции 160

5. Сила Кориолиса 163

Контрольные вопросы 166

Лекция №11. Механические колебания и волны 167

1. Гармонические колебания и их характеристики 167

2. Динамика колебательного движения 169

3. Гармонический осциллятор. Пружинный, физический
и математический маятники 171

4. Сложение гармонических колебаний одного направления
и одинаковой частоты. Биения 174

5. Сложение взаимно перпендикулярных колебаний 176

6. Свободные затухающие колебания 179

7. Вынужденные колебания 181

8. Амплитуда и фаза вынужденных колебаний. Резонанс 183

9. Автоколебания 186

10. Распространение колебаний в однородной упругой среде 187

11. Уравнение плоской и сферической бегущей волны.
Фазовая скорость. Волновое уравнение 190

12. Принцип суперпозиции. Групповая скорость 194

13. Энергия упругой волны 195

14. Интерференция волн 198

15. Стоячие волны 199

16. Характеристика звуковых волн 203

17. Эффект Доплера в акустике 205

18. Ультразвук и eго применение 206

Контрольные вопросы 207

Лекция №12. Всемирное тяготение 210

1. Законы Кеплера и закон всемирного тяготения 210

2. Гравитационная масса 212

3. Поле тяготения и его напряженность 215

4. Работа в поле тяготения. Потенциал поля тяготения 217

5. Космические скорости 219

6. Принцип эквивалентности гравитационных сил и сил инерции 220

Контрольные вопросы 222

Лекция № 13. Элементы специальной теории относительности 224

1. Преобразования Галилея. Механический принцип относительности 224

2. Постулаты специальной (частной) теории относительности 227

3. Преобразования Лоренца 228

4. Следствия из преобразований Лоренца 232

5. Интервал между событиями 237

6. Основной закон релятивистской динамики материальной точки 239

7. Взаимосвязь массы и энергии 240

Контрольные вопросы 242



Предисловие


Учебное пособие по курсу “Механика” написано на основе лекций, которые автор на протяжении ряда лет читает студентам специальности “Физика” физико-математического факультета Башкирского государственного педагогического университета. Изложенный в нем материал соответствует государственному образовательному стандарту высшего профессионального образования по специальности 032200 (050203.65).

Ппособие начинается с программы курса “Механика”, на основе которой проводится обучение по этому разделу физики.

Главная цель курса – ознакомление студентов с основными идеями и методами механики. В связи с этим учебное пособие построено таким образом, что вначале рассматриваются основы механики. В конце большое внимание уделяется изложению приложений для описания конкретных физических процессов.

Каждый раздел курса завершается перечнем вопросов для контроля, на сколько студент усвоил изложенный материал. Приведенные в учебном пособии вопросы полезны для самоконтроля, а также для текущего контроля преподавателем знаний студентов.

Основной задачей учебного пособия является привитие студентам навыков самостоятельного изучения физики. Предлагаемый в нем материал содержит изложение основных вопросов, знание которых должно способствовать изучению теоретической физики и других разделов общей физики.


^ Программа курса “Механика”


В современных быстро меняющихся условиях, появлении и развитии новых технологий существенно возрастает роль фундаментального образования в подготовке педагогических кадров. В решении задач фундаментального естественнонаучного образования большая роль отводится дисциплине “Физика” как наиболее общей и развитой из естественных наук. Необходимость изучения физики объясняется тем, что она по-прежнему сохраняет роль лидера естествознания, определяет стиль и уровень мышления. Физика как фундаментальная интегрирующая дисциплина представляет собой часть общечеловеческой культуры. Современная физика содержит в себе мощный гуманитарный потенциал, который вносит существенный вклад в разработку нового стиля мышления – планетарного. Физика обращается к проблемам, имеющим большое значение для всех стран и народов, например, к глобальным экологическим проблемам, связанным с загрязнением Мирового океана и Земной атмосферы, к проблемам воздействия солнечного излучения на магнитосферу, атмосферу нашего дома – Земли. Поэтому физика составляет сердцевину гуманитарного образования нашего времени. Именно физика наиболее полно демонстрирует способность человека к анализу возникающих ситуаций, введению языка для описания их качественных и количественных аспектов, доведению уровня понимания до возможности теоретического предсказания характера и результатов их развития во времени.

Курс механики занимает особое место в общем курсе физики. Именно в разделе “Механика” формируются основные естественнонаучные понятия, изучаются механические движения, являющиеся основой других форм движения. Изучение остальных разделов физики невозможно без знания механики, так как перемещения имеют место почти при всех физических явлениях. Овладение этим курсом важно для становления физического мировоззрения студента и способствует его формированию как специалиста и грамотного учителя физики.

Преподавание курса механики опирается на взаимосвязь лекций, практических занятий и лабораторного практикума, на самостоятельную и индивидуальную работу студентов.

Работа на практических и семинарских занятиях должна быть направлена на изучение и применение базовых моделей в конкретных условиях протекания физических явлений. Лабораторный практикум разделен на 2 части: «Вычислительный эксперимент» и «Натурный эксперимент».

Введение в учебный процесс практикума по вычислительному эксперименту имеет целью привить студентам навыки построения физических и математических моделей разнообразных явлений и процессов, дать возможность на практике реализовать эти модели на персональном компьютере, научить анализировать результаты моделирования и оценить их адекватность. Данный вид занятий, во-первых, естественным образом свяжет практикум по решению задач и натурный эксперимент, проводимый в физической лаборатории, и, во-вторых, позволит полнее реализовать принципы дифференциации и индивидуализации в обучении.


^ Цели и задачи изучения дисциплины

Основными целями курса “Механика” следует считать:

– формирование современной естественнонаучной картины мира;

– понимание роли этого раздела физики в построении физической

картины мира;

– развитие интеллектуальных способностей студентов через формирование физических понятий и усвоение ими методов научного познания явлений действительности.

В рамках заявленных целей обучение по курсу “Механика” призвано решить следующие задачи:

– дополнить, обобщить и углубить систему знаний студентов в области основных механических понятий, законов и явлений;

– ознакомить с предметом изучения и фундаментальными теориями в этой области науки;

– познакомить с экспериментальными и теоретическими методами познания и устройствами приборов, применяемых при исследованиях в этой области;

– обосновать роль и место физических и математических моделей в структуре теории;

– научить выделять главные особенности изучаемого явления, строить его физическую и математическую модели;

– указать роль этого предмета в формировании учителя физики.


^ Требования к уровню подготовки

Студент, изучавший курс “Механика”, должен овладеть следующими знаниями, умениями и навыками:

– иметь представление о теориях фундаментальных механических явлений как о целостной системе знаний о природе, понимать их модельный характер и границы применимости;

– знать основные понятия и законы в рамках изучаемого курса;

– иметь представление о месте изучаемого курса в общем курсе физики;

– уметь объяснять сущность физических явлений на основе изучаемых законов;

– уметь выделять значимые параметры при описании механических явлений и процессов, строить их физическую и математическую модели;

– уметь решать физические задачи, связанные с описанием различных явлений, происходящих в телах при движении;

– уметь анализировать поведение физических и математических моделей в различных условиях и оценить их адекватность реальным явлениям.


^ Место дисциплины в учебном процессе и виды учебной работы
Дисциплина общей трудоемкостью 360 часов рассчитан на один семестр (I семестр). Лекции 3 часа в неделю, практические занятия 3 часа в неделю, лабораторный практикум – 4 часа в неделю. Вычислительный эксперимент проводится во время лабораторного практикума.


^ Распределение учебных часов



Виды занятий

Всего часов

Общая трудоемкость

360

Аудиторные занятия

180

Лекции

54

Практические занятия

45

Лабораторные работы (всего)

Натурный эксперимент

Вычислительный эксперимент

72

58

14

Самостоятельная работа

180

Вид итогового контроля
^ Зачет, экзамен

Учебно-тематический план


№

Название раздела

ЛК

(час)

Лабораторный

практикум

Практические занятия

Натурный эксперимент

Вычислительный эксперимент


1.

Введение

1

-

-

-

2.

Кинематика материальной точки и поступательного движения твердого тела

6

4

2

8

3.

Динамика материальной точки и поступательного движения твердого тела

8

8

2

8

4.

Динамика системы материальных точек

2

4

2

2

5.

Динамика вращательного движения твердого тела

4

8




4

6.

Законы сохранения в механике

6

6

2

4

7.

Движение в неинерциальных системах отсчета

5

4




2

8.

Механика жидкостей и газов

6

8

2

4

9.

Механика упругих тел

4

4




2

10.

Механические колебания

4

8

2

4

11.

Волны в упругой среде

2

4




3

12.

Всемирное тяготение

2

-

2

2

13.

Элементы специальной теории относительности

4

-




2


^ Содержание курса


Введение. Предмет и задачи физики. Методы физических исследований. Сочетание экспериментальных и теоретических методов в познании окружающей среды. Модельный характер физических законов. Физические величины, их измерение и оценка точности и достоверности полученных результатов. Системы единиц физических величин. Связь физики с другими естественными науками.

Механика. Введение. Предмет и задачи классической механики. Механическое движение. Пространство и время. Система координат. Системы отсчета. Эталоны времени и длины. Модели механики: материальная точка, система материальных точек, твердое тело, сплошная среда.

^ Кинематика материальной точки. Задачи кинематики, кинематические характеристики движения: радиус-вектор, перемещение, скорость, ускорение, тангенциальное и нормальное ускорения. Траектория движения и пройденный путь. Уравнения движения. Поступательное и вращательное движения материальной точки. Составное движение материальной точки. Относительность движения. Закон сложения скоростей. Принцип независимости движений. Преобразования Галилея для координат и скоростей.

Перемещение и путь при равномерном и равноускоренном прямолинейном движении. Движение точки по окружности. Угловое перемещение, угловая скорость, угловое ускорение. Связь линейных и угловых величин. Векторы угловой скорости и углового ускорения.

Колебательное движение. Гармонические колебания, их характеристики: амплитуда, частота и фаза колебаний. Кинематические уравнения гармонических колебаний. Смещение, скорость и ускорение при гармоническом колебательном движении. Описание гармонических колебаний одного направления с одинаковыми и разными частотами. Биения. Понятие о спектрах и гармоническом (спектральном) анализе. Сложение взаимно перпендикулярных колебаний. Фигуры Лиссажу.

^ Динамика материальной точки. Первый закон Ньютона. Инерциальные системы отсчета. Взаимодействие тел. Понятие о силе и ее измерения. Принцип независимости действия сил. Силы в природе. Второй закон Ньютона. Масса и ее измерение, аддитивность массы. Инертная масса. Импульс. Сила как производная импульса по времени. Силы трения. Жидкое трение. Трения покоя и скольжения. Роль силы трения покоя при качении тел. Трение качения. Значение силы трения в природе и технике. Принцип суперпозиции. Принцип относительности Галилея. Третий закон Ньютона. Применение законов ньютоновской динамики в решении простейших задач: движение при наличии силы тяжести. Вес и невесомость.

^ Динамика системы материальных точек. Законы сохранения. Системы материальных точек. Силы внешние и внутренние. Движение системы материальных точек. Центр масс. Координаты центра масс. Движение центра масс. Замкнутые системы. Закон сохранения импульса замкнутой системы материальных точек. Постоянство скорости центра масс замкнутой системы. Примеры проявления закона сохранения импульса: сохранения плоскости качаний маятника, реактивное движение. Уравнения Мещерского и Циолковского. Задача двух тел. Приведенная масса. Движение в гравитационном поле.

Работа силы, мощность. Консервативные и неконсервативные силы и системы. Независимость работы консервативной силы от траектории. Потенциальная энергия. Связь силы с потенциальной энергией. Кинетическая энергия. Закон сохранения энергии в неконсервативной системе. Применение законов сохранения импульса и энергии к анализу упругого и неупругого соударений.

Момент импульса материальной точки относительно произвольного центра. Момент силы. Сохранение момента импульса материальной точки при движении под действием центральной силы. Момент импульса системы материальных точек, закон сохранения импульса замкнутой системы. Законы сохранения и принципы симметрии пространства и времени.

Роль законов сохранения в физике.

^ Механика твердого тела. Твердое тело как система материальных точек. Абсолютно твердое тело. Плоское движение твердого тела. Поступательное и вращательное движение абсолютно твердого тела. Мгновенные оси вращения. Понятие о степенях свободы и связях. Вращение относительно неподвижной оси. Пара сил. Момент пары. Момент инерции и момент импульса твердого тела. Второй закон Ньютона для вращающегося твердого тела. Теорема Штейнера. Закон сохранения момента импульса твердого тела, примеры его проявления.

Вращение твердого тела вокруг неподвижной точки и оси. Кинетическая энергия вращающегося тела. Кинетическая энергия тела при плоском движении. Свободные оси вращения. Гироскоп.

Условия равновесия твердого тела. Виды равновесия. Центр тяжести.

^ Механика жидкостей и газов. Механические свойства жидкостей и газов. Давление в жидкостях и газах. Измерение давления. Манометры. Распределение давления в покоящихся жидкостях и газах. Сила Архимеда. Условие плавания тел.

Описание движения жидкостей. Стационарное слоистое движение жидкости. Уравнение неразрывности струи. Уравнение Бернулли для идеальной жидкости и ее следствия. Течение жидкости в трубах. Движение тел в жидкостях и газах. Формула Стокса. Вязкость. Закон Кулона-Амонтона. Формула Пуазейля. Истечение жидкости из отверстия. Формула Торричелли. Ламинарное и турбулентное течения. Число Рейнольдса.

Силы, действующие на тело, движущееся в жидкости: сила лобового сопротивления и подъемная сила. Подъемная сила крыла самолета.

^ Механика деформируемых твердых тел. Упругие свойства твердых тел. Виды упругих деформаций. Упругие силы. Закон Гука для различных деформаций: одновременное растяжение (сжатие), всестороннее сжатие, сдвиг, кручение. Модули упругости, упругое последействие и упругий гистерезис.

Потенциальная энергия упруго деформированного тела. Плотность энергии.

^ Движение в неинерциальных системах отсчета (НИСО). Неинерциальные системы отсчета. Описание движения в неинерциальных системах отсчета. Силы инерции. Сила инерции в прямолинейно движущейся НИСО. Равномерно вращающаяся НИСО. Центробежная сила инерции. Сила Кориолиса. Проявление сил инерции на Земле: зависимость веса тела от широты места, маятник Фуко.

^ Механика колебаний и волн. Движение под действием упругих и квазиупругих сил. Уравнение движения простейших механических колебательных систем без трения: пружинный, математический, физический и крутильный маятники. Собственная частота колебаний. Кинетическая, потенциальная и полная энергия колеблющегося тела.

Уравнение движения колебательных систем с трением. Затухающие колебания. Коэффиицент затухания, логарифмический декремент, добротность, их связь с параметрами колебательной системы.

Вынужденные колебания. Энергетические соотношения при вынужденных колебаниях. Резонанс. Вынужденные колебания при наличии трения.

Нелинейные колебательные системы. Анализ уравнений движения ангармонического и параметрического осцилляторов. Параметрический резонанс. Автоколебания. Роль механических колебаний в технике.

Механические колебания в связанных системах. Распространение колебаний в однородной упругой среде. Продольные и поперечные волны. Скорость распространения волны. Волновой фронт. Плоские, цилиндрические и сферические волны. Уравнение плоской гармонической бегущей волны. Мгновенное распределение смещений, скоростей и деформаций в бегущей волне. Энергия бегущей волны. Поток энергии. Вектор Умова. Интенсивность волны. Интерференция волн. Отражение волн. Стоячие волны. Мгновенное распределение относительных смещений и скоростей в стоячей волне. Энергетические соотношения в стоячей волне. Суперпозиция колебаний. Понятие о спектральном анализе. Его физический смысл.

Природа звука. Скорость звука в твердых телах, жидкостях и газах. Измерение скорости звука. Акустическое давление и скорость частиц в звуковой волне. Интенсивность звука. Источники и приемники звука. Звуковые волны в струнах и трубах. Колебания мембраны (телефон, микрофон, громкоговоритель). Акустический резонанс. Голосовой и слуховой аппарат человека. Запись и воспроизведение звука. Объективные и субъективные характеристики звука. Анализ и синтез звуков.

Понятие об инфразвуке. Ультразвук и его применение.

^ Всемирное тяготение. Движение планет. Законы Кеплера. Закон тяготения Ньютона, постоянная тяготения и ее измерение. Гравитационная масса.

Понятие о поле тяготения. Вещество и поле как виды материи. Напряженность и потенциал поля тяготения. Однородное и центральное поле. Применение закона сохранения энергии Ки движению в центральном гравитационном поле. Космические скорости. Достижения в области освоения и исследования космического пространства.

Эйнштейновский принцип эквивалентности сил инерции и сил тяготения.

^ Элементы специальной теории относительности (СТО). Представления Ньютона о свойствах пространства и времени. Инвариантность второго закона Ньютона относительно преобразований Галилея. Границы применимости механики Ньютона. Постулаты Эйнштейна

Относительность одновременности в СТО. Преобразования Лоренца. Следствия из преобразований Лоренца. Интервал между событиями. Преобразование и сложение скоростей. Релятивистский импульс. Релятивистская форма закона Ньютона. Релятивистское выражение для энергии. Взаимосвязь массы и энергии покоя. Частицы с нулевой массой. Законы сохранения массы, энергии и импульса в СТО, их проявления.


Примерная тематика семинарских занятий


Кинематика прямолинейного движения.

Кинематика криволинейного движения и вращение тела вокруг неподвижной оси.

Динамика материальной точки и тела, движущегося поступательно.

Динамика криволинейного движения материальной точки.

Динамика вращательного движения твердого тела.

Статика. Упругие деформации твердого тела.

Гравитационное взаимодействие. Движение тел в поле тяготения.

Работа и энергия. Потенциальная энергия упруго деформированного тела.

Законы сохранения в механике. Закон сохранения импульса, энергии и момента импульса.

Механические колебания.

Волны в упругой среде.

Механика жидкостей и газов.

Релятивистская механика.



^ Вычислительный эксперимент



Движение по окружности.

Вес и невесомость.

Движение по наклонной плоскости.

Реактивное движение.

Законы Кеплера.

Течение идеальной жидкости.

Свободные колебания груза на пружине.

Вынужденные колебания.

Законы сохранения. Моделирование движения в гравитационном поле.

Расчет моментов инерции твердых тел.

Классический гармонический осциллятор.

Моделирование движения маятника с колеблющейся точкой подвеса.

Цепочка связанных осцилляторов. Продольные и поперечные волны.


Средства обеспечения дисциплины


В качестве средств обеспечения дисциплины предполагается использование лаборатории механики, лаборатории лекционных демонстраций и класс вычислительной физики с программным обеспечением.


Рекомендуемая литература


Основная литература:

Сивухин Д.В. Курс общей физики. Т.1. Механика. – М.: Наука, 1979.

Лаврова И.В. Курс физики. – М.: Просвещение, 1981.

Грабовский Р.И. Курс физики. – М.: Высшая школа, 1980.

Архангельский М.М. Курс физики. Механика. – М.: Просвещение, 1975.

Александров Н.В., Яшкин А.Я. Курс общей физики. Механика. – М.: Просвещение, 1978.

Савельев И.В. Курс общей физики. Т.1. – М.: Высшая школа, 1989; или Кн.1. – М.: Высшая школа, 1998.


Задачники:

Волькенштейн В.С. Сборник задач по общему курсу. – М.: Наука, 1979 (другие годы издания).

Иродов И.Е.Задачник по общей физике. – М.: Наука, 1988.

Чертов А.Г., Воробьев А.А. Задачник по физике. – М.: Высшая школа, 1988.


Дополнительная литература:

Гулд Х., Тобочник Я. Компьютерное моделирование в физике. Т.1-2. – М.: Мир, 1990.

Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. – М.: Высшая школа, 1989.

Хайкин С.Э. Физические основы механики. – М.: Наука, 1979.

Матвеев А.Н. Механика и теория относительности. – М.: Высшая школа, 1986.

Гершензон Е.М., Малов Н.Н., Мансуров А.Н. Курс общей физики. Механика. – М.: Академия, 2001.

Лекция №1. Введение


1. Предмет физики, её связь с другими естественными науками


Физика – наука, изучающая наиболее общие свойства материи и формы её движения. Под материей подразумевается весь окружающий нас мир, включающий два известных нам вида материи – вещество (в твердом, жидком, газообразном состоянии и плазме) и поле (гравитационное, электромагнитное, поле ядерных сил), которые способны видоизменяться и превращаться друг в друга и описываются законами физики.

Неотъемлемым всеобщим свойством материи является движение, понимаемое в самом широком смысле, т.е. не только как механическое перемещение тел в пространстве, но и как изменение и развитие как таковое. Известны следующие виды физических форм движения: механические, атомно-молекулярные, гравитационные, электромагнитные, внутриатомные и внутриядерные процессы. Они являются общими потому, что содержатся во всех более сложных формах движения материи, изучаемых другими науками. Например, процессы жизнедеятельности организмов, изучаемых биологией, всегда сопровождаются механическими, электрическими, внутриатомными и другими физическими процессами. Таким образом, предмет исследований физики составляют общие закономерности явлений природы.

Физика – одна из основных общих естественных наук, в которых изучаются законы неживой природы. Связь физики с другими естественными науками выражается прежде всего в том, что, выявляя общие закономерности явлений природы, её макро- и микромира, физика фундаментальна по отношению к ним. Физика позволяет создавать приборы и вырабатывать методы исследования, необходимые для развития других наук. Например, в развитии биологии большое значение имели микроскоп, в астрономии – телескоп, в химии – спектральный анализ и др. Все естественные науки широко и плодотворно применяют метод меченых атомов, электронную аппаратуру и другие физические приборы, а также различные методы физических исследований. Справедлива, конечно, и обратная связь: развитие других естественных наук ставит перед физикой новые задачи и способствует её прогрессу и совершенствованию. Только на стыке физики и биологии возникли ряд новых смежных научных направлений, таких как биофизика, биомеханика – наука, изучающая законы движения биологических систем, биоэнергетика – наука, занимающаяся вопросами механизма генерации и переноса энергии в живых объектах, радиобиология – наука, изучающая действие внешних физических полей и излучений на живые организмы, современная генетика, рассматривающая явления наследственности на молекулярном уровне. В последние годы особенно пристальное внимание уделяется изучению биоэлектрических явлений, обусловливающих возникновение биоэлектрических потенциалов, а также агрофизике – науке о влиянии водовоздушных, тепловых и световых режимов на развитие растений и животных и возможности их регулирования и создания фитотронов (станций искусственного климата). Возникли другие смежные науки, такие как астрофизика, физическая химия, электрофизика и др.

Развитие математики и физики также очень тесно связано друг с другом. Без знания математики нельзя изучать физику, так как все закономерности в физике выражаются посредством чисел. Только с помощью математического аппарата можно разобраться и проанализировать сложные закономерности, которые имеют место в физических явлениях. Разработка математических методов всегда преследует, в том или ином виде, цель практическую – дать средство анализа закономерностей природы. Поэтому изучение физики тесно связано с изучением математики даже в той части физики, которую называют общей и экспериментальной, так как здесь исследователь определяет количественные изменения различных величин.


^ 2. Методы физических исследований


Методом физических исследований является материалистическая диалектика, рассматривающая все явления окружающего нас мира в их взаимосвязи и взаимодействии, в их развитии и изменении. Поэтому рассматриваемые ниже методы физических исследований применимы и в других естественных науках.

Всякое физическое исследование начинается с наблюдения, т.е. с изучения физических явлений в естественной, природной обстановке. Затем на основании размышлений и логических обобщений высказывается рабочая гипотеза – научное предположение, объясняющее эти явления. Гипотеза проверяется экспериментом, т.е. изучением явлений путем их воспроизведения в искусственных, лабораторных условиях. Гипотеза, подтвержденная экспериментом, становится научной теорией. Физическая теория представляет собой систему основных идей, обобщающих опытные данные и отражающих объективные закономерности природы. Физическая теория дает объяснение целой области явлений природы с единой точки зрения. Теория в дальнейшем подвергается неоднократной проверке практикой, которая вносит в теорию многочисленные дополнения и уточнения.

В связи с изложенным целесообразно сделать одно замечание о связи теории и эксперимента в физике. Теория играет исключительно важную роль. Без нее современная физика немыслима. Однако необходимо правильно представлять себе истинную роль теории в физике. Чистая теория в основном основывается на математике, а математика имеет дело с абстрактными объектами и понятиями, подчиняющимися определенной системе аксиом. Единственное требование, предъявляемое в чистой математике к ее понятиям и аксиомам, сводится к их логической непротиворечивости. Все свои результаты чистая математика получает из этих аксиом путем логических рассуждений, основанных на правилах формальной логики. Содержание этих результатов, очевидно, не может выйти за пределы логических связей между различными объектами и понятиями чистой математики. В этом смысле чистая математика является логически замкнутой дисциплиной. Такая замкнутость и логическая согласованность придают чистой математике, а, следовательно, и теории эстетическую привлекательность и доставляют чувство глубокого удовлетворения всякому уму.

Однако нужно заметить, что строго замкнутая сама в себе теория оторвана от реальной действительности и не может быть использована в других науках и практической деятельности человека. Чтобы теория стала мощным средством при физических исследованиях, необходимо установить связи между абстрактными математическими объектами и понятиями – с одной стороны – и реальными объектами и явлениями природы – с другой. Математические понятия и объекты должны появляться не как чисто логические категории, а как абстракции каких-то реальных объектов или процессов природы. Так, точка является абстракцией физического тела достаточно малых размеров, прямая линия – абстракцией достаточно тонкого твердого стержня или светового пучка в однородной среде. Вопрос о справедливости математики сводится к справедливости ее аксиом. Справедливость же самих аксиом может быть установлена опытным и только опытным путем.

Правда, опыт с математическими объектами нельзя осуществить в чистом виде, поскольку эти объекты являются идеализациями и не встречаются в природе. Всякий опыт выполняется с реальными телами. Математическую строгость надо понимать в смысле логической согласованности ее выводов, но не в смысле обоснования математических аксиом.

Одной математической строгости недостаточно для физики, как и для всякой другой опытной науки, имеющей дело с реальными объектами и явлениями природы. Всякое теоретическое исследование, выполненное математически стро