4

ВВЕДЕНИЕ

Физика изучает простейшие (и вместе с тем фундаментальные) виды движения материи – механическое, волновое, атомно-молекулярное и т.д. Материей называют все то, что существует независимо от нашего сознания и воздействует на наши органы чувств. Известны две формы материи: вещество (в твердом, жидком, газообразном и плазменном состоянии) и поле (например, гравитационное, электромагнитное).

Из вещества состоят все окружающие нас тела. Поле – это такая форма материи, посредством которой осуществляются взаимодействия между любыми телами в природе.

МЕХАНИКА

Движением материи называют любые ее изменения в пространстве и времени. Механика – это раздел физики, который изучает простейший вид движения – взаимное перемещение тел или частей тела. Механическое движение относительно. Для описания движения тела необходимо определить систему отсчета, относительно которой рассматривается движение. Наиболее простая система включает в себя тело отсчета (предполагается, что оно неподвижно во время движения тела), связанную с нею декартову систему координат (OXYZ) и часы. Часто движущееся тело в механике рассматривается в виде материальной точки – такой удобный образ используется в том случае, если размерами тела при описании его движения можно пренебречь (например, материальной точкой можно считать Землю при описании ее движения вокруг Солнца). Положение тела (материальной точки) относительно выбранной системы отсчета можно задавать в каждый момент времени радиус-вектором r или набором его проекций на координатные оси – x, y, z.

Путь. Перемещение. Скорость. Ускорение

Линия, вдоль которой движется тело, называется траекторией. Длина участка траектории, пройденного телом за рассматриваемый промежуток времени, называется путем. Путь – величина скалярная.

Направленный отрезок, проведенный из начального положения тела в конечное, называется перемещением. Перемещение – величина векторная. Путь и модуль (длина) вектора перемещения в общем случае неодинаковы (рис. 1). Например, путь, который проходит тело, подброшенное вертикально вверх, после возвращения в исходное положение равен удвоенной вы-

соте подъема тела, в то время как модуль перемещения равен нулю.

5

Быстрота изменения положения тела определяется ее скоростью. Если тело, двигаясь вдоль траектории, за время t проходит путь S , то ее средняя путевая скорость v определяется отношением:

v = St .

Скорость тела в разные моменты времени может быть неодинаковой. Если за время t скорость изменяется от начального значения v0 до значения v ,

то ускорением тела называется отношение

ar =v −tv0 .

Если тело движется вдоль прямой и за одинаковые промежутки времени проходит равные пути, тоr движение называется равномерным прямолинейным. При этом скорость v остается постоянной и по величине, и по направлению. В этом случае путь S , пройденный телом за время t , определяется произведением

S =vt .

Рис. 2

Если ось OX направить вдоль прямой, по которой движется тело, то зависимость координаты x тела от времени t определяется выражением

x = x0 +vt ,

6

где x0 – положение тела на оси OX в момент времени t = 0 .

Кинематика равномерного прямолинейного движения тела (материальной точки) представлена графически на рис. 2.

Равноускоренное движение. Свободное падение

Если скорость тела при движении изменяется, но при этом ускорение остается постоянным (a =const ), то движение называется равнопеременным. Величина ускорения для такого движения определяется выражением

a =v −tv0 .

Если v >v0 , то есть a > 0 , то движение называется равноускоренным, если же v <v0 , то есть a < 0 – равнозамедленным.

Из последнего соотношения для ускорения следует, что скорость v при равнопеременном движении изменяется по закону:

v =v0 +at .

Путь, проходимый телом при таком движении, вычисляется по формуле

Примером равноускоренного движения является свободное падение тел в безвоздушном пространстве. Как показали опыты, любые тела независимо от их природы, формы или размеров падают прямолинейно под действием притяжения к Земле с постоянным ускорением, которое называется ускорением свободного падения g . Вблизи поверхности Земли g ≈ 9,8 м/с2.

При свободном падении тела с высоты h без начальной скорости основные кинематические соотношения имеют вид

Единицы измерения кинематических величин (в системе СИ):

длина [S], [h], [R] – метр (м); время [t], [T] – секунда (с); скорость [v ] – метр в секунду (м/с); ускорение [a ], [ g ] – метр на секунду в квадрате (м/с2).

Масса тела. Сила. Три закона Ньютона

Динамика – это часть механики, в которой механическое движение рассматривается с учетом взаимодействия тел друг с другом. Если тело не испытывает на себе действия со стороны других тел, оно называется свободным.

Количественной мерой воздействия одного тела на другое является сила

F . Сила – величина векторная. Она считается полностью заданной, если известны ее модуль, направление и точка приложения.

Свойство тела сопротивляться изменению характера движения называется инертностью. Количественной мерой инертности тела является масса т.

7

В основе классической динамики лежат три закона Ньютона.

I закон: существуют системы отсчета, называемые инерциальными, в

которых свободное тело покоится или движется равномерно и прямолинейно.

Любая система отсчета, движущаяся равномерно и прямолинейно относительно инерциальной системы, также является инерциальной.

II закон: в инерциальных системах отсчета ускорение, приобретаемое

телом под действием силы F , прямо пропорционально этой силе и обратно пропорционально массе тела:

ar = mF .

III закон: в инерциальных системах отсчета два тела взаимодействуют

между собой с силами, равными по величине и противоположны-

ми по направлениюr : F12 = −F21 .

Важно помнить, что силы F12 и F21 приложены к раз-

ным телам (рис. 3).

В механике различают три основных типа сил: полевые, силы упругости и силы трения.

Закон всемирного тяготения

Полевые силы действуют между телами, удаленными друг от друга на некоторое расстояние. Примером таких сил являются силы тяготения, возникающие между любыми телами массами m1 и m2 вследствие действия на них

гравитационного поля (такое поле существует вокруг любого тела и оно тем заметнее, чем больше масса тела). Согласно закону всемирного тяготения два тела притягиваются друг к другу с силами, прямо пропорциональными произведению их масс и обратно пропорциональными квадрату расстояния r между ними:

деляемая силой притяжения двух материальных точек единичной массы, расположенных на единичном расстоянии друг от друга.

Сила упругости. Сила трения

Силы упругости возникают в теле при попытке изменить его форму и объем под действием внешних сил, т.е. при деформировании тела. Если после снятия внешнего воздействия деформированное тело полностью восстанавливает свою форму и объем, деформация называется упругой. Как было экспери