Хід заняття.
Фізика посідає важливе місце серед фундаментальних природничих наук. Предмет і роль фізики кожен з вас в загальних рисах уявляє завдяки шкільному курсу. Проте таке уявлення далеко не вичерпує реальну наукову цінність фізики.
Перед фізикою поставлені наступні задачі:
1. дослідити явища природи і знайти закони, яким вони підкоряються;
2. встановити причинно - наслідковий зв'язок між тільки відкритими явищами і явищами, вивченими раніше;
3. застосувати отримані знання для подальшого впливу на природу.
Фізика вивчає природу, використовуючи наступні методи дослідження:
a. спостереження - вивчення явищ в природній обстановці. Природне спостереження потребує уміння згрупувати ряд явищ, відмітивши їх характерні риси подібності і відмінності;
b. експеримент - вивчення явищ шляхом їх відтворення в штучних, спеціально створених лабораторних умовах. Цей метод економить час, прискорюючи можливість вивчення явища, бо вчений не чекає, поки це явище відбудеться у природі, а штучно створює його в потрібний момент в лабораторії;
c. створення гіпотез, тобто наукових передбачень, висунутих для пояснення явища. Якщо гіпотеза не вступає у протиріччя з експериментальними даними, то вона переходить у фізичну теорію – систему знань, яка дозволяє відповідати на запитання - що, як і чому відбувається в природі.
На першій лекції будуть розглядатися питання кінематики поступального руху матеріальної точки. В фізиці розглядають форми руху матерії у такій послідовності:
1. механічна;
2. молекулярно - теплова;
3. електромагнітна;
4. внутрішньо - атомна.
Механіка - частина фізики, яка вивчає найбільш просту форму матерії, яка полягає в переміщенні тіл або їх частин відносно один одного, яка отримала назву механічного руху.
Говорячи про механічний рух, слід вказувати, відносно якої системи координат він відбувається. Наприклад, людина, яка нерухомо сидить у вагоні потягу знаходиться у стані спокою відносно потягу (координатна система пов'язана з потягом), але разом з потягом рухається і Земля (система координат пов'язана із Землею). Всякий предмет, нерухомий відносно Землі, рухається разом із нею відносно Сонця. Тобто, абсолютного спокою в природі не існує, його не можливо собі уявити.
Механіка поділяється на такі розділи: • кінематика, статика, динаміка.
Кінематика вивчає рух тіла відносно інших тіл не залежно від причин (сил), які впливають на цей рух.
Статика розглядає рівновагу тіл під дією сил, тобто випадок, коли всі сили зрівноважують одна одну.
Динаміка установлює зв'язки між рухом тіла і тими силами, які на нього діють.
У 1687 р. На світ з'явилася чудова книжка Ньютона "Математичні початки натуральної філософії". З моменту появи цієї книги можна вважати, що механіка стала наукою. Створена Ньютоном механіка має назву класичної.
У 1905 р. з'явилась перша робота Ейнштейна (1879 - 1944), яка поклала початок релятивістської механіки (механіки відносності). Проте формули релятивістської механіки застосовуються тільки тоді, коли приходиться вивчати рух частинок, швидкість яких наближається до швидкості світла (ЗО 000 км/сек).
Для спрощення вивчення механічного руху вводяться фізичні моделі. Одна із них - це модель матеріальної точки.
Матеріальна точка - тіло, розмірами якого в умовах даної задачі можна знехтувати.
Лінія, по якій рухається матеріальна точка називається траєкторією.
Рух тіл відбувається у просторі і в часі. Тому для описання руху матеріальної точки потрібно знати, в яких місцях простору ця точка знаходилась і в які проміжки часу вона проходила те чи інше місце.
Положення матеріальної точки визначається по відношенню до будь -якого іншого, довільно вибраного тіла, яке називається тілом відліку. Вибране таким чином тіло умовно вважається нерухомим, а пов'язана з
ним довільна система координат називається системою відліку
положення матеріальної точки.
В декартовій системі координат положення точки А в даний момент часу характеризується трьома координатами х,
х.
|
у,z або радіус - вектором r, проведеним з початку відліку в дану точку. Отже, переміщення - вектор, спрямований від початкового положення частинки А до певного кінцевого її положення В на траєкторії.
або можна розглядати 
як векторну різницю радіус - векторів r B і r А:
Під час руху матеріальної точки її координати з часом змінюються. В загальному випадку її рух визначається трьома скалярними рівняннями:
еквівалентними векторному 
рівнянню:
Число незалежних координат, які повністю визначають точку у просторі називається числом степенів вільності.
• Якщо матеріальна точка рухається у просторі, то вона має три
степені вільності (координати x,y,z);
• Якщо рухається точка по деякій поверхні, то вона має дві степені вільності;
• Якщо по кривій - одну степінь вільності.
Виключаючи із рівнянь (2) та (3), отримаємо рівняння траєкторії руху матеріальної точки.
В залежності від форми траєкторії рух може бути прямолінійним або криволінійним.
Рівномірний рух - рух, при якому точка в будь - які рівні проміжки часу проходить однакову відстань.
З елементарного курсу відома формула шляху S за час t при швидкості руху V:
На рис. 2 показаний графік шляху рівномірного руху OD. Тангенс кута а нахилу графіку шляху до осі x чисельно дорівнює швидкості руху, тобто
Відношення шляху ∆S, пройденого точкою при її нерівномірному русі за час Лі, до часу руху характеризує її середню швидкість, тобто
Таким чином, середня швидкість вимірюється середньою довжиною шляху, пройденого точкою за одиницю часу.
Миттєва швидкість (швидкість в даний момент часу) - границя, до якої прямує середня швидкість при безкінечному зменшенні часу руху:
|
тобто, вона дорівнює похідній від шляху по часу.
З усіх нерівномірних рухів особливий інтерес представляє рівно змінний рух.
Рівно змінний рух - такий рух, при якому точка в будь - які, як завгодно малі, рівні проміжки часу змінює свою швидкість на одну і ту саму величину. Нехай швидкість в початковий момент часу дорівнює V 0, а через час tвона стала рівною Vt,. Відношення
є величина, яка називається прискоренням при рівно змінному русі (а = const ). Тобто,
Прискорення вимірюється зміною швидкості руху точки за одиницю часу.
Нагадаємо формули рівно змінного руху:
Якщо а>0, то рух буде рівноприскорений, якщо а<0, - рівносповільнений.
Розглянемо графік швидкості при рівноприскореному русі (рис.4).
По осі X відкладений час руху, по осі У швидкість. Формула (4а) показує, що графік швидкості є пряма, бо виражається рівнянням прямої лінії у = V0 + ах. Також на
малюнку видно, що тангенс кута α нахилу графіка швидкості АВ до осі x чисельно дорівнює прискоренню, тобто
При нерівномірному русі вводяться поняття про середнє та миттєве прискорення.
Середнє прискорення вимірюється відношенням зміни швидкості ∆V за проміжок часу ∆t до тривалості цього проміжку:
Миттєве прискорення (прискорення в даний момент часу) - є границя, до якої прямує середнє прискорення, якщо час руху безкінечно зменшується, тобто дорівнює похідній від швидкості по часу або другій похідній від шляху по часу:
