lection_part1-2

Министерство образования и науки Российской Федерации

Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)

Волгодонский институт ЮРГТУ

Л.С. Лунин, А.В. Благин, А.А. Баранник

ЛЕКЦИИ ПО ФИЗИКЕ

Часть I

Механика, молекулярная физика и термодинамика

Новочеркасск 2006

УДК 530.1 (075.8)

ББК 22.3

Л

Рецензенты: д-р физ.-мат.наук, проф. В.Н. Лозовский, к.ф.-м.н., доц. Т.А. Аскарян

Лунин Л.С., Благин А.В., Баранник А.А.

Л Лекции по физике. Ч.1. Механика, молекулярная физика и термодинамика / Волгодонский институт ЮРГТУ. Новочеркасск: ЮРГТУ, 2006. 184 с.

Физика является теоретической основой всех технических дисциплин и, наряду с математикой, базой инженерного образования. Лекции составлены с учетом требований государственных образовательных стандартов для технических специальностей высших учебных заведений, изучающих общую физику в течение четырех семестров.

Материал рассчитан на студентов, приступающих к изучению курса общей физики (34 часа лекций в семестр).

©Волгодонский институт ЮРГТУ, 2006

©Лунин Л.С., Благин А.В., Баранник А.А., 2006

2

3

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящее пособие предназначено, в первую очередь, для студентов инженерно-технических специальностей; может быть полезным для всех категорий студентов, изучающих в том или ином объеме физику. Оно представляет собой курс лекций в 3 частях, соответствующих трем семестрам курса физики, предусмотренных унифицированным учебным планом, по которому студенты специальностей "Микроэлектроника и твердотельная электроника", "Автоматизация технологических процессов", "Электрические станции", "Информационные системы и технологии", "Оборудование и технология сварочного производства" обучаются с 2002/03 учебного года. Пособие может быть использовано студентами также для самостоятельного изучения соответствующего материала, является базой для подготовки к семестровым экзаменам по физике. Кроме того, книга должна помочь студенту и в тех случаях, когда он что-то не успел записать на лекции, какие-то лекции были пропущены, в чем-то трудно разобраться по другим учебникам.

Первая часть содержит изложение основ механики, молекулярной физики и термодинамики и адресована первокурсникам. Набор освещаемых вопросов хорошо виден из оглавления.

Особое внимание в книге уделено изложению традиционно сложных для усвоения физических понятий, идей и теорий – таких, как механика твердого тела, теория относительности, физика реальных газов, жидкостей и растворов. Впервые в учебной литературе по общей физике в настоящем пособии излагаются основные выводы общей теории относительности. Достаточно подробно освещаются вопросы, помогающие осмысленному выполнению заданий лабораторного практикума по механике и молекулярной физике.

Авторы выражают надежду, что данное пособие будет способствовать более глубокому изучению студентами курса физики и решит проблему основательного методического обеспечения студентов младших курсов.

4

МЕХАНИКА

ЛЕКЦИЯ 1. ОСНОВЫ КИНЕМАТИКИ

1.Предмет физики и ее связь с другими науками.

2.Система СИ (System International – SI).

3.Физические модели. Система отсчета (СО). Траектория. Длина пути. Вектор перемещения.

4.Скорость. Ускорение, его тангенциальная и нормальная составляющие. Линейные и угловые величины.

1.1.Предмет физики и ее связь с другими науками

Физика – наука, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие закономерности явлений природы, свойства и строение материи, законы ее движения (физика – наука о наиболее общих формах движения материи).

Под движением понимают всякое изменение, происходящее в материальном мире. Формы движения: механическая, тепловая, оптическая, ядерная, химическая, психическая, социальная. Физика изучает пер-

вые 4 формы. Физика относится к числу точных наук, ее понятия и за-

коны могут быть количественно охарактеризованы, поэтому, например, эмоции, чувства (психическая форма движения) пока не являются предметом физики. Физика – естественная наука. Она является основой всего естествознания и тесно связана с другими естественными науками – химией, биологией, астрономией и т.д. Границы между физикой и естественными науками условны. На стыке этих наук рождаются новые отрасли знания – биофизика, геофизика, физическая химия и другие.

В соответствии с многообразием предмета исследования естественными науками в зависимости от критерия классификации подразделяется:

-по объекту: физика элементарных частиц, физика ядра, физика атомов и молекул и т.д.

-по процессам и формам движения: механика материальной точки и твёрдого тела, сплошных сред, электродинамика, термодинамика, теория тяготения, физика волновых процессов и т.д.

-по целям исследования: теоретическая, экспериментальная и прикладная (техническая) физика.

Целью экспериментальной физики является постановка и проведение наблюдений и опытов по обнаружению новых физических явлений и проверке данных по уже известным явлениям. Целью теоретической физики является установление закономерностей (связей, общего для широкого круга процессов, объектов) известных физических явлений и предсказание существования новых явлений (рекомендации по постановке эксперимен-

5

тов и выбору путей и способов исследования). Следует отметить, что не все процессы, изучаемые современной физикой, наглядны и исследуются прямо (и) экспериментально. Прикладная (техническая) физика занимается разработкой путей использования физических представлений о свойствах

иповедении объектов для нужд человека. Таким образом, развитие физи-

ки протекает по известной схеме - философской спирали познания.

Физика является теоретической основой всех технических дис-

циплин (электро- и радиотехника, сопротивление материалов, электроника

идр.) и, наряду с математикой, базой инженерного образования.

1.2. Система СИ (System International – SI)

Так как физика – точная наука, важную роль в ней играют измерения. Измерить величину – значит сравнить ee c однородной величиной, ycлoвнo принятой за единицу. Единицу любой физической величины мoжнo ycтaнoвить пpoизвoльнo, поэтому нa XI Гeнepaльнoй

кoнфepeнции пo мepaм и вecaм (oктябpь 1960 г.) было принято peшeниe

об ycтaнoвлeнии (вместо гауссовой системы – СГС) для мeждyнapoдныx связей единой пpaктичecкoй cиcтeмы единиц, пoлyчившeй мeждyнapoднoe нaимeнoвaниe SI, в pyccкoй тpaнcкpипции

– CИ. Эта cиcтeмa была yтoчнeнa нa пocлeдyющиx XII-XV кoнфepeнцияx

пo мepaм и вecaм.

Для пocтpoeния cиcтeмы единиц физичecкиx величин дocтaточнo

выбpaть нecкoлькo нeзaвиcимыx дpyг от дpyгa единиц, охватывающих все физические явления. Эти единицы называют основными. Единицы физических величин, кoтopыe определяются по уравнениям c помощью ос-

новных единиц, нaзывaют пpoизвoдными. Выбор основных единиц обусловливает значение коэффициентов пропорциональности в формулах при записи физических законов. Совокупность основных и производных единиц называют системой единиц.

Meждyнapoднaя cиcтeмa единиц СИ cocтoит из ceми ocнoвныx, двyx дoпoлнитeльныx радиан (рад) и стерадиан (ср), а также бoльшoгo

чиcлa пpoизвoдныx единиц.

Оcнoвныe единицы СИ (SI):

−метр (м) – длина пути, пpoxoдимoгo cвeтом в вaкyyмe зa 1 /299 792 458 c;

−килoгpaмм (кг) – eдиницa мaccы – пpeдcтaвлeн мaccoй

мeждyнapoднoгo пpoтотипa килoгpaммa (Международная палата мер и весов, г. Севр, Франция);

−сeкyндa (с) – вpeмя, paвнoe 9 192 631 770 пepиoдaм излyчeния,

cooтвeтcтвyющeгo пepexoдy мeждy двумя тонкими ypoвнями ocнoвнoгo cocтoяния aтoмa цeзия-133 (133Cs);

6

−ампep (А) – cилa нeизмeняющeгocя тoкa, кoтopый при пpoxoждeнии пo двyм пapaллeльным пpямoлинeйным пpoвoдникaм бecкoнeчнoй длины и ничтoжнo мaлoй плoщaди пoпepeчнoгo ceчeния, pacпoлoжeнным в вaкyyмe нa paccтoянии 1 м oдин от дpyгoгo, вызвал бы нa кaждoм yчacткe npoвoдникa длиной 1 м cилy

взaимoдeйcтвия, paвнyю 2·10-7 H;

−кельвин (К) – единица тeмпepaтypы, paвнaя 1/273,16

тepмoдинaмичecкoй тeмпepaтypы тpoйнoй тoчки вoды;

−моль (моль) – кoличecтвo вeщecтвa cиcтeмы, coдepжaщeй cтoлькo

же cтpyктypныx элeмeнтoв (частиц), сколько coдepжитcя aтoмoв в нуклиде 12С (yглepoдe-12) массой 0,012 кг;

−кaндeлa (кд) – cилa cвeтa в заданном направлении источника, иcпycкaющегo монохроматическое излучение частотой 540·1012 Гц,

энергетическая сила света которого в этом направлении 1/683 Вт/ср

(cилa cвeтa, иcпycкaeмoгo c пoвepxнocти плoщaдью 1/600000 м2

пoлнoгo излyчaтeля в пepпeндикyляpнoм нaпpaвлeнии при тeмпepaтype излyчaтeля, paвнoй тeмпepaтype зaтвepдeвaния плaтины при дaвлeнии 101 325 Па);

−радиан – угол, опирающийся на дугу, равную радиусу;

−стерадиан – телесный угол с вершиной в центре сферы, вырезающий на поверхности сферы площадь, равную площади квадрата со стороной, равной радиусу сферы.

Десятичные кратные и дольные единицы образуются умножением исходной единицы на один из множителей, приведенных в табл. 1.1.

7

1.3. Физические модели. Система отсчета (СО). Траектория. Длина пути. Вектор перемещения

В физике используются различные модели: при описании объектов

выделяются их главные качества и отбрасываются второстепенные

(материальная точка, абсолютно твердое тело, абсолютно упругий и неупругий удары, идеальный газ, черное тело, линейный осциллятор и т.д.).

Построение физико-математической модели, как правило, выполняется методом последовательных приближений. В первом или ну-

левом, самом грубом, приближении учитывают только самые необходимые аспекты (свойства) процесса (тела), математические уравнения при этом обычно самые простые и легко разрешимы аналитически. Проведя расчет по этим уравнениям, результат сравнивают с данными эксперимента. При удовлетворительном согласии данных останавливаются на полученной модели (описании) процесса (тела). При несогласии (второе и т.д. приближение) вносят в рассмотрение новые факторы, усложняются описывающие явление уравнения, они уже могут не решаться в явном виде (аналитически), а только численно, процесс повторяется до получения с требуемой (необходимой) точностью согласия теоретических и достаточно большого числа экспериментальных данных.

Примеры физико-математических моделей:

- материальная точка – это тело, размеры которого в данной задаче несущественны;

- абсолютно твердое тело – тело, которое ни при каких условиях не деформируется, при этом расстояние между любыми двумя точками тела остается неизменным.

Механика изучает механическое движение. Механическое движе-

ние – это взаимные изменения положения тел друг относительно друга или взаимного расположения частей тела. Любому описанию механического движения тела должен предшествовать выбор системы отсчета (СО). Она состоит из какого-либо неподвижного твердого тела (отсчета) и связанной с ним системы координат, в которой указывается начало отсчета времени. В механике чаще всего используется координатная форма описания движенияr r: положение материальной точки задается ее радиусвектором r = r (t). Это уравнение эквивалентно трем скалярным: x=x(t);

y=y(t); z=z(t).

8

Рис. 1.1

Рассмотрим (рис. 1.1) движение материальной точки вдоль произвольной траектории. Отсчет времени начинают с момента, соответствующего точке А. Длина участка АB, пройденного телом с начала отсчета времени, называется длиной пути ∆s и является скалярной функцией времени.

Вектор ∆r = r − r0 называется перемещением тела. В случае прямолинейного движения ∆rr = ∆s . Сказанное справедливо для движения в одном направлении, а в общем случае ∆rr ≤ ∆s .

Траектория – это линия, которую описывает тело при движении в пространстве. Если траектория лежит в одной плоскости, движение называется плоским или двумерным (движение тела, брошенного под углом к горизонту, движение заряженной частицы в магнитном поле, когда ско-

рость перпендикулярна вектору магнитной индукции vr B .

1.4. Скорость. Ускорение, его тангенциальная и нормальная составляющие. Линейные и угловые величины

Для характеристики движения тела вводится векторная величина – скорость v , которая определяет быстроту движения и его направление в

данный момент времени t.

Если тело проходит за время ∆t путь ∆s, модуль которого равен ∆r (при условии малости промежутка ∆t), скорость определяется как vr = ∆∆rt - средняя скорость

на по касательной в данной точке траектории).

9

Движение, при котором скорость постоянна, называется равномер-

ным. В случае неравномерного движения важно знать, как изменяется скорость с течением времени, по модулю (величине) ∆vτ и направлению

∆vrn (последний интеграл будет rиметь другой вид). Для этого вводят век-

торную величину – ускорение а.

Как и скорость, ускорение можно в любой момент времени представить в виде двух составляющих ∆ar ( ar – тангенциальной) и ∆an

O

Рис. 1.2

10