Кинематика материальной точки

ВВЕДЕНИЕ

 

В данном разделе «Курса физики» дано систематическое изложение физических основ классической механики, механики жидкостей и газов, рассмотрены элементы специальной теории относительности. В конце каждой главы даются контрольные вопросы, тестовые задания с ответами и упражнения для самоконтроля.

В приложении к пособию имеются справочные материалы по математике и общей физике, которые могут оказаться хорошим подспорьем при выполнении практических заданий.

Учебное пособие предназначено для самостоятельного изучения «Физических основ механики» студентами очного отделения.

Предисловие

 

Физика – самая первая из появившихся естественных наук. Она отделилась от единственной существовавшей в древности науки – философии.

Являясь наукой о наиболее общих законах неживой природы, физика не только своими корнями уходит глубоко в философию, но и по своей сути является составной частью философии.

Как известно, мир представляет собой совокупность двух форм материи: поля и вещества. Основополагающие законы существования, движения, взаимодействия и взаимопревращения этих форм материи являются предметом изучения физики. Круг явлений и процессов, изучаемых в физике, постоянно расширяется и представляет фундаментальную базу для развития естественных и технических наук, для становления научной картины мира.

В процессе изучения курса физики, при выполнении лабораторных работ и решении задач у студентов в наиболее полном виде формируются элементы научного мышления, усваивается логика построения научных теорий и методика проведения научного эксперимента. Без изучения физики невозможна качественная подготовка любого инженера, любого специалиста в области естественных наук. Для гуманитариев изучение физики является основой формирования естественнонаучного представления об окружающем мире.

Физика— это наука,

изучающая общие свойства движения вещества и поля.

(А.И. Иоффе).

 

Физика — наука о простейших формах движения материи и соответствующих им наиболее общих законах природы. Изучаемые физикой формы движения материи (механическая, тепловая, электрическая, магнитная и т.д.) являются составляющими более сложных форм движения материи (химических, биологических и др.), поэтому физика является основой для других естественных наук (астрономия, биология, химия, геология и др.).

Физика — база для создания новых отраслей техники —фундаментальная основа подготовки инженера.

В своей основе физика — экспериментальная наука: ее законы базируются на фактах, установленных опытным путем. В результате обобщения экспериментальных фактов устанавливаются физические законы— устойчивые повторяющиеся объективные закономерности, существующие в природе, устанавливающие связь между физическими величинами.

Для установления количественных соотношений между физическими величинами их необходимо измерять, т. е. сравнивать их с соответствующими эталонами. Для этого вводится система единиц, которая постулирует основные единицыфизических величин и на их базе определяет единицы остальных физических величин, которые называются производными единицами.

 

Международная Система единиц (СИ) (System International – SI).

 

Основные единицы:

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 весов в Севре, близ Парижа).

Секунда (с) — время, равное 9192631770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.

Ампер (А) — сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого поперечного сечения, расположенных в вакууме на расстоянии 1 метр один от другого, создает между этими проводниками силу, равную 2·10^–7 Ньютона на каждый метр длины.

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 12 г изотопа углерода ¹²С.

Кандела (кд) — сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540·10¹² герц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет (1/683) Вт/ср.

 

Дополнительные единицы системы СИ:

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 сферы.

Производные единицы устанавливаются на основе физических законов, связывающих их с основными единицами. Например, производная единица скорости (1 м/с) получается из формулы равномерного прямолинейного движения .

 

КЛАССИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА

 

Кинематика материальной точки

 

Механикой называется раздел физики, в котором изучаются закономерности механического движения и причины, вызывающие или изменяющие это движение. Механика является базовой основой для изучения всех остальных разделов физики. Механика делится на три раздела: кинематику, динамику и статику.

Кинематика ‑ раздел механики, изучающий движение материальных тел в пространстве и времени без рассмотрения причин, вызывающих это движение.

Динамика изучает движение с учетом причин, его вызывающих.

Статика ‑ наука о равновесии.

Существует классическая, релятивистская и квантовая механика.

Классическая механика изучает движение макроскопических тел со скоростями, много меньшими скорости света в вакууме ( м/c).

Релятивистская механика (или теория относительности) изучает движение тел со скоростями, соизмеримыми со скоростью света в вакууме.

Квантовая механика изучает движение микрочастиц (отдельные атомы, элементарные частицы).

Механическим движением называется процесс изменения взаимного расположения тел или их частей в пространстве и с течением времени. Для описания движения в механике используются физические модели. Простейшими моделями в механике являются материальная точка и абсолютно твердое тело.

Материальной точкой называется обладающее массой тело, размерами которого можно пренебречь в условиях данной задачи. Например, при вычислении траектории, по которой Земля движется вокруг Солнца, Землю можно рассматривать как материальную точку, так как ее радиус (6400 км) в 24000 раз меньше радиуса ее орбиты. При рассмотрении движения тел по поверхности Земли она должна рассматриваться как протяженный объект.

Обычно модель материальной точки используют в том случае, когда размеры тела во много раз меньше размера той части пространства, в которой происходит движение этого тела. Любое тело можно рассматривать как совокупность материальных точек.

Абсолютно твердым телом (АТТ) называется тело, деформациями которого можно пренебречь в условиях данной задачи.

Абсолютно упругое тело — тело, деформация которого подчиняется закону Гука, а после прекращения внешнего силового воздействия такое тело полностью восстанавливает свои первоначальные размеры и форму.

Абсолютно неупругое тело — тело, полностью сохраняющее деформированное состояние после прекращения действия внешних сил.

Любое движение АТТможно представить как комбинациюпоступательного и вращательного движений.

Поступательным движением называется такое движение, при котором любая прямая, жестко связанная с телом, остается параллельной своему первоначальному положению.

При поступательном движении все точки тела движутся одинаковым образом. Поэтому достаточно рассмотреть движение одной точки тела, например, центра тяжести, чтобы говорить о движении тела в целом.

Вращательным движением называется движение, при котором все точки тела движутся по окружностям, центры которых лежат на одной и той же прямой, называемой осью вращения.