Введение. Предмет физики. Методы физического исследования. Периоды развития физики

Литература

 

1. Савельев И.В. «Курс физики», т. 1.. - М.: Наука, 1989 г.
2. Трофимова Т.И. «Курс физики». - М.: Высшая школа, 1985 г.
3. Матвеев А. Н. Механика и теория относительности.». - М.: Высшая школа, 1986 г.
4. Чертов А.Г., Воробьев А.А. Сб. задач по физике.». - М.: Высшая школа, 1981 г.
5. Иродов И.Е. Задачи по общей физике. - М.: Наука, 1979 г.
6.  Иродов И.Е. Механика. Основные законы.- Физматлит. Невский Диалект. Лаборатория Базовых Знаний, -М.-СПб, 2000.
7. Беликов В.С. Решение задач по физике. Общие методы». - М.: Высшая школа, 1986 г.

 

 

Лекция 1.

Введение. Предмет физики. Методы физического исследования. Периоды развития физики

 

В переводе с греческого «физика» - наука о природе. Наряду с другими естественными науками она изучает свойства окружающего нас мира.

Окружающий нас мир, все существующее вокруг нас и обнаруживаемое нами посредством ощущений представляет собой материю. Наш мир необычайно сложен и интересен. В настоящее время мы знаем, что все тела (кроме Солнца и звезд - там вещество находится в состоянии плазмы) состоят из атомов.

  Атомы являются кирпичиками мироздания, находятся в непрерывном движении, притягиваются на больших расстояниях, но отталкиваются, когда мы стремимся приблизить их друг к другу.

Размер атома ~10^-10 м=10^-8 см=1 А°, если яблоко увеличить до размеров Земли, то атомы яблока станут размером с яблоко. Можно ли увидеть атом? Да, можно – в туннельный микроскоп (1981 г.), а в обычный нельзя, так как нельзя увидеть объект размером меньше длины световой волны λ≈0,5 мкм≈5000 Аُ. Глядя в туннельный микроскоп мы можем пересчитывать атомы поштучно.

Рис.1. Туннельный микроскоп

Рис.2. Структура атома

 

Атомы состоят из положительно заряженного ядра и движущихся вокруг него отрицательно заряженных электронов.

 Размер электрона до сих пор не поддаётся измерению. Известно лишь, что радиус электрона заведомо меньше 10^{-16 см.}

Размер ядра намного больше, порядка 10^-4÷10^-5 А°=10^-12÷10^-13 см==10^-14÷10^-15м.

Атомные ядра состоят из протонов и нейтронов. Вся масса атома сосредоточена в ядре.

Протоны и нейтроны состоят из кварков, а электрон сам по себе ни из чего не состоит.

Атом пуст. Если бы электроны и ядра были не заряжены, то атомы бы спокойно проходили друг сквозь друга, нисколько не мешая соседу.

Все явления природы происходят во Вселенной. Размеры Вселенной порядка 10²⁸ см~10¹⁰ световых лет.

Один световой год равен расстоянию, которое свет проходит за год, это составляет: 9,5 10¹² км~10¹⁶ м~10¹⁸ см.

Жизнь – это наиболее сложное явление во Вселенной, а человек, одно из наиболее сложно устроенных живых существ, состоит из ~ 10¹⁶ клеток.

Клетка представляет собой элементарную физиологическую ячейку, содержащую 10 ¹² –10¹⁴ атомов.

 В любую клетку любого живого организма входит хотя бы одна длинная молекулярная нить ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты).

В молекуле ДНК 10⁸ – 10¹⁰ атомов, точное расположение которых может изменяться от индивидуума к индивидууму.

Молекула ДНК является носителем генетической информации.

Физика - одна из ведущих наук о природе, изучающая наиболее простейшие и наиболее общие закономерности явлений природы, свойства и строение материи и законы ее движения.

Академик А.Ф. Иоффе (1880-1960) - российский физик определил физику как науку, изучающую общие свойства и законы движения вещества и поля.

В настоящее время общепризнано, что все взаимодействия осуществляются посредством полей.

Периоды развития физики

I. Предыстория физики (от древнейших времен до ХVII века)

 

Это период накопления физических знаний об отдельных явлениях природы. Его делят на:

эпоху античности - (VI вв. до н. э. - V в. н. э.)

средние века - (I - ХIV вв.)

эпоха Возрождения - (ХV - ХVI вв.).

Эпоха античности - Архимед установил условия плавания тел.

Средние века - введены понятия: мгновенной скорости, деление движения на поступательное и вращательное, угловой скорости.

Эпоха возрождения - Леонардо до Винчи - выполняет графическое построение хода лучей в линзе. Открыт закон сложения сил по правилу параллелограмма и разложения сил на составляющие.

IV. Современная физика

 

1905 - 1931 гг. - Эйнштейн - создание СТО.

Резерфорд - открыл атом.

 Н. Бор сформулировал принципы соответствия и дополнительности. Гейзенберг - сформулировал принцип неопределенности.

1932 г. - открыт нейтрон (Чедвик).

1932 - 1954 гг.- Поль Дирак выдвинул гипотезу о существовании антивещества; Д.Д. Иваненко выдвинул гипотезу о строении атомных ядер из нейтронов и протонов;

Отто Ган и Ф. Штрассман открыли деление ядер урана;

Г.Н. Флеров - спонтанное деление ядер U235;

П.Л. Капица - сверхтекучесть гелия;

2.12.1942 г. - Э. Ферми - цепная ядерная реакция деления ядер урана;

1945 г. - цепная ядерная реакция деления ядер урана в советском ядерном реакторе - И.В. Курчатов, Юлий Харитон;

1949 г.- первый взрыв атомного заряда в СССР;

1953 г.- на полигоне в г. Семипалатинске произведён взрыв первой транспортабельной атомной бомбы; Изобретен полупроводниковый транзистор;

1954г. - Басов, Прохоров, Таунс создали ОКГ. Возникает квантовая электроника;

1955 г. и далее - начало исследования структуры нуклонов, т.е. развивается физика элементарных частиц.

Единицы физических величин

· Метр - (м) - длина пути, проходимого в вакууме за 1/299792 458с.

· Килограмм - (кг) масса, равная массе международного прототипа килограмма платино - иридиевого цилиндра диаметром и высотой 39 мм, хранящегося в международном бюро мер и весов в Севре (близ Парижа). Его масса близка к массе 1000 см³ чистой воды при 40 С. Грамм (г) равен 10^-3 килограмма.

· Секунда - (с) - время, равное 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия 133. Секунда приблизительно равна 1/86 400 средних солнечных суток.

· Ампер - (А) - сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1м друг от друга, создает между этими проводниками силу взаимодействия, равную 2 10^-7 Н на каждый метр длины.

· Кельвин - (К) - 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки.

· Моль - (моль) - количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько атомов содержится в нуклиде С12 массой 0,012 кг.

· Кандела - (кд) - сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540 1012 Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/673 Вт/.

· 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.

Для ФВ скорость  ее размерность - есть выражение скорости в основных единицах.

Условимся обозначать размерность ФВ (например вектора скорости) так:

dim = T^-1, 

а единицу её измерения так: [ ]=1 м/с.

 

Механическое движение

Всякое изменение вообще называется движением в широком смысле слова.

Простейшей формой движения является механическое движение. Механическое движение заключается в изменении с течением времени взаимного расположения тел или частей тел друг относительно друга.

Механика - часть физики, изучающая закономерности механического движения. Основные законы механики установлены итальянским физиком и астрономом Г. Галилеем (1564 - 1642) и окончательно сформулированы английским ученым И. Ньютоном (1643 - 1727).

Механика Галилея-Ньютона называется классической механикой, в ней изучаются законы движения макроскопических тел, скорости которых малы по сравнению со скоростью света в вакууме (V<<с).

Законы движения макроскопических тел со скоростями, сравнимыми со скоростью света в вакууме, изучаются релятивистской механикой, законы движения микроскопических тел (отдельные атомы и элементарные частицы) - изучаются квантовой механикой.

Механика делится на три раздела: кинематику, динамику, статику.

Кинематика изучает движение тел, не выясняя причин, его обуславливающих.

Динамика изучает законы движения тел и причины, обуславливающие это движение.

Статика изучает законы равновесия системы тел. Если известны законы движения тел, то из них можно установить и законы равновесия. Поэтому физика отдельно от законов динамики законы статики не рассматривает.

Реальные движения тел настолько сложны, что изучая их, необходимо отвлечься от несущественных для рассматриваемого движения деталей. В механике часто используют идеализации движений, а  для описания движения тел в зависимости от условий конкретных задач используют разные физические модели.

Простейшими моделями являются материальная точка – МТ, макрочастица - МЧ и абсолютно твердое тело - АТТ.

Материальная точка (МТ) - тело, размерами которого можно пренебречь, считая что вся масса тела сосредоточена в одной точке.

Макроскопическая частица (МЧ) - частица образованная большим числом атомов.

Абсолютное твердое тело (АТТ) - тело, деформациями которого в условиях данной задачи можно пренебречь.

Системой отсчета (СО) называют совокупность неподвижных друг относительно друга тел, по отношению к которой рассматривается движение, и часов, связанных с ними, отсчитывающих время.

Для описания движения систему отсчета связывают с системой координат. Самая простая система - декартова система координат, три взаимно перпендикулярных оси x, y, z.

В пространственной декартовой системе координат положение частицы задается ее координатами - x, y, z.

Траекторией движения МТ называется линия, которую описывает материальная точка (частица) при своем движении.

В зависимости от формы траектории движение делят на: прямолинейное, криволинейное, по окружности.

Расстояние между точками а и b, отсчитанное вдоль траектории называется длиной пройденного пути или путем - (S _ab - l_ab).

Перемещением -  - называется направленный отрезок прямой, проведенной из начального положения в конечное.

Перемещение характеризуется числовым значением и определенным направлением.

Рис. 1.1. Длина пройденного пути, при движении от точки a до точки b,

вектор перемещения

Механика ставит перед собой две основные задачи:

1. Изучение различных движений и обобщение полученных результатов в виде законов движения – законов, с помощью которых может быть предсказан характер движения в каждом конкретном случае.

2. Отыскание общих механических свойств, т.е. общих теорем или принципов, присущих любой системе, независимо от конкретного рода взаимодействий между телами системы.

Решение первой задачи привело к установлению Ньютоном и Эйнштейном так называемых динамических законов, решение же второй задачи – к обнаружению законов сохранения таких фундаментальных величин, как энергия, импульс и момент импульса.

Векторы

 В физике для описания движения используют два вида физических величин: скаляры и векторы.

 Физической величиной (ФВ) называется

Скаляры - величины, определяемые лишь числовым значением.

Примеры СФВ: масса - m, время - t, энергия - W и т.д.

Величины, характеризующиеся числовым значением, определенным, направлением и складывающиеся по правилу параллелограмма, называется векторами. Они играют в физике большую роль.

Векторы обозначаются буквами со стрелкой над ней: , ,  или, при письме, буквой с черточкой над ней: .

ПримерыВФВ: вектор перемещения - , вектор линейного ускорения - , вектор скорости - , вектор напряженности электрического поля - , вектор магнитной индукции - и т.д.

Модулем вектора - называется числовое значение вектора.

Модуль вектора - всегда положительный скаляр.

Модуль вектора обозначается той же буквой обычного шрифта либо буквой полужирного шрифта, по бокам которой ставят вертикальные черточки:

 - модуль вектора .

Во всех случаях, когда это возможно, модуль вектора нужно обозначать буквой обычного шрифта. Однако, в некоторых случаях модуль можно обозначать только с помощью боковых черточек.

 - обозначение модуля вектора перемещения.

Свободный вектор - вектор, который может быть отложен из любой точки пространства.

 Рассмотрим три свободных вектора  . 

Векторы, направленные вдоль параллельных прямых (в одну и ту же, либо в противоположные стороны) называются коллинеарными.

 

Рис. 2.1. Коллинеарные векторы  направлены вдоль параллельных прямых

 

Путем переноса коллинеарные векторы могут быть расположены на одной и той же прямой.

Векторы, лежащие в параллельных плоскостях называются компланарными.

Рис. 2.2. Между векторами  имеются соотношения: , , ,

 

Векторы нельзя сравнивать друг с другом, не бывает положительных и отрицательных векторов, невозможны равенства вида .

Сравнивать можно модули векторов.

Соотношение  означает лишь, что векторы  и  имеют одинаковые модули, а направления этих векторов противоположны.

 

Действия над векторами

Пусть у нас имеются два свободных вектора и  . Произведем над этими векторами операции сложения, вычитания, умножения.

1. Сложение векторов. Складывать два вектора можно двумя способами - по правилам треугольника и параллелограмма.

· Правило треугольника. Если начало второго вектора совместить с концом первого, то вектор, проведенный из начала первого в конец второго будет являться суммой двух векторов.

Рис.2.3. Правило треугольника. Вектор  является суммой векторов  и

· Правило параллелограмма. Если оба вектора выходят из одной точки, то суммой векторов будет вектор , выходящий из общей точки и совпадающий с диагональю параллелограмма, сторонами которого являются два исходных вектора.

       (2.1)

Рис. 2.4.  Правило параллелограмма. Вектор  является суммой векторов  и

 

2. Вычитание векторов:  (2.2).

Разностью векторов  и  называется вектор , который в сумме с вектором  даёт вектор .

Лекция 3. Кинематика МТ

Скорость

 

Для характеристики движения МТ вводится векторная величина - скорость. Она характеризует как быстроту движения, так и его направление в данный момент. Рассмотрим движение МТ по некоторой криволинейной траектории.

V

В момент времени t положение МТ характеризуется – ₁; в (t +Δ t) ₂; за промежуток времени Δ t МТ проходит путь Δ S, а радиус вектор получает приращение - Δ

Рис. 4.1. Направление векторов скоростей: средней  - < > и мгновенных  -

 

Равномерным движением - называется такое движение, при котором за любые равные, сколь угодно малые промежутки времени Dt частица (МТ) проходит одинаковые пути - DS.

Вектор скорости равномерного движения определяется формулой (4.1):

(4.1)

Модуль вектора скорости равномерного движения - равен пути, проходимому в единицу времени.

Для неравномерного движения вводят понятие модуля средней скорости (среднюю путевую скорость) и вектора средней скорости.

Вектор средней скорости определяется соотношением:

;

(4.2)

Средняя путевая скорость равна:

(4.3)

Для прямолинейного движения:  и тогда

(4.4)

 

Чтобы определить скорость в некоторый момент времени t, необходимо чтобы промежуток времени движения Dt→0, тогда средняя скорость устремится к предельному значению, называемому мгновенной скоростью.

Вектор мгновенной скорости, это ВФВ, равная первой производной радиуса - вектора движущейся МТ по времени:

(4.5)

Вектор мгновенной скорости совпадает по направлению с касательной, проведенной  к траектории в данную точку, и направлен  в сторону движения.

Модуль вектора мгновенной скорости равен модулю первой производной радиус-вектора по времени (формула (4.6.)).

(4.6)

Но радиус-вектор в общем случае можно представить в виде векторной суммы трех составляющих (4.7)

(4.7)

Тогда вектор мгновенной скорости будет равен (4.8):

		(4.8)
	, ,	(4.9)

, , - проекции вектора мгновенной скорости на соответствующие координатные оси или ее компоненты.

Из формулы (4.9.)следует: компоненты скорости равны производным соответствующих координат по времени.

Зная модуль скорости в каждый момент времени, можно вычислить путь, пройденный МТ (частицей) за промежуток времени Δt=t₂-t₁. Разобьем этот промежуток времени на N малых промежутков, обозначим , ti- модуль скорости и время i -го участка, i пробегает значения от 1 до N. Тогда:

(4.10)

а весь пройденный путь:

(4.11)

Если Dt®0, то:

(4.12)

 

В математике выражение вида (4.13):

(4.13)

составленное для значений x, заключенных в пределах от x₁=a до x₂=b называют определенным интегралом от функции f(x) взятым по переменной x между нижним x₁=a и верхним x₂=b пределами.

Тогда длину пройденного пути можно представить так:

(4.14)

 

Определенный интеграл (4.14.) численно равен площади фигуры, ограниченной кривой V(t), осью t, и с боков прямыми: t = t _1, t = t ₂.

  Векторную функцию в виде графика изобразить нельзя.

Рис.4.3. Площадь заштрихованной полоски приближенно равна V_iΔt_i

 

Средняя скорость определяется формулой:

(4.15)

Аналогично вычисляются средние значения любых скалярных или векторных функций.

Если движение равномерное, то длина пройденного пути равна:

(4.16)

Литература

 

1. Савельев И.В. «Курс физики», т. 1.. - М.: Наука, 1989 г.
2. Трофимова Т.И. «Курс физики». - М.: Высшая школа, 1985 г.
3. Матвеев А. Н. Механика и теория относительности.». - М.: Высшая школа, 1986 г.
4. Чертов А.Г., Воробьев А.А. Сб. задач по физике.». - М.: Высшая школа, 1981 г.
5. Иродов И.Е. Задачи по общей физике. - М.: Наука, 1979 г.
6.  Иродов И.Е. Механика. Основные законы.- Физматлит. Невский Диалект. Лаборатория Базовых Знаний, -М.-СПб, 2000.
7. Беликов В.С. Решение задач по физике. Общие методы». - М.: Высшая школа, 1986 г.

 

 

Лекция 1.

Введение. Предмет физики. Методы физического исследования. Периоды развития физики

 

В переводе с греческого «физика» - наука о природе. Наряду с другими естественными науками она изучает свойства окружающего нас мира.

Окружающий нас мир, все существующее вокруг нас и обнаруживаемое нами посредством ощущений представляет собой материю. Наш мир необычайно сложен и интересен. В настоящее время мы знаем, что все тела (кроме Солнца и звезд - там вещество находится в состоянии плазмы) состоят из атомов.

  Атомы являются кирпичиками мироздания, находятся в непрерывном движении, притягиваются на больших расстояниях, но отталкиваются, когда мы стремимся приблизить их друг к другу.

Размер атома ~10^-10 м=10^-8 см=1 А°, если яблоко увеличить до размеров Земли, то атомы яблока станут размером с яблоко. Можно ли увидеть атом? Да, можно – в туннельный микроскоп (1981 г.), а в обычный нельзя, так как нельзя увидеть объект размером меньше длины световой волны λ≈0,5 мкм≈5000 Аُ. Глядя в туннельный микроскоп мы можем пересчитывать атомы поштучно.

Рис.1. Туннельный микроскоп

Рис.2. Структура атома

 

Атомы состоят из положительно заряженного ядра и движущихся вокруг него отрицательно заряженных электронов.

 Размер электрона до сих пор не поддаётся измерению. Известно лишь, что радиус электрона заведомо меньше 10^{-16 см.}

Размер ядра намного больше, порядка 10^-4÷10^-5 А°=10^-12÷10^-13 см==10^-14÷10^-15м.

Атомные ядра состоят из протонов и нейтронов. Вся масса атома сосредоточена в ядре.