Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Posobie_fizika_dlya_KSS__mekhanika

.pdf
Скачиваний:
26
Добавлен:
20.03.2015
Размер:
1.02 Mб
Скачать

- 11 -

случае для замены одного лишь энергоблока пришлось бы перегородить ветер от Севастополя до Северного ледовитого океана, а во втором случае стоимость энергии в десятки раз превосходит разумные пределы. Могут ли политики, мало сведущие в науке, принимать компетентные решения по столь жизненно важным вопросам?

Роль математики в физике.

По существу физика не может существовать без математики. Наиболее удивительным в истории науки являются факты, когда физики при попытке создать принципиально новые теории обнаруживали, что математики уже создали математический каркас этих теорий. Однако законы математики в силу своей аксиоматической природы не могут быть использованы для объяснения физических законов.

Метод подобия и размерностей

Цели размерностного анализа в физике:

1.Проверка правильности написания формул и результатов (физическая орфография).

2.Физическое моделирование – анализ и выбор параметров, а также приведение уравнений к безразмерному виду. Размерностный анализ позволяет производить моделирование на более мелких моделях и затем пересчитывать результаты. Приведение уравнений

кбезразмерному виду позволяет сделать численные расчеты более универсальными.

3.Вывод физических формул (с точностью до множителя).

Примеры вывода физических уравнений:

Отметим, что следующие далее результаты можно получить и без использования понятия размерность, оперируя лишь с единицами измерения.

1. Формула для силы сопротивления, действующей на автомобиль. Интуитивно ясно, что сила сопротивления зависит от скорости тела v, от плотности воздуха и от площади поперечного

сечения S. Коэффициент лобового сопротивления (обтекаемости) очевидно, не может быть найден методом размерностного анализа, но к счастью, не вычисляемые этим методом коэффициенты часто имеют порядок единицы. Итог первого шага – запись списка параметров, от которых зависит сила: F=F( ,v,S). Если список неполный, то мы не

(L T
F= v2S,
j L2k.

- 12 -

сможем согласовать размерности левой и правой части. Следует также следить за тем, чтобы список параметров не был избыточным.

Приступим к выводу формулы: dim F=(dim ) i (dim v) j (dim S) k.

Подставляя размерности, получаем: M L T-2=(M L-3)i (L T-1) Приравняем показатели степеней при одинаковых размерностях: 1 = i, 1= -3i+j+2k, -2 = -j, откуда получаем: i =1, j =2, k =1 и формула для силы сопротивления принимает вид:

где . - безразмерный коэффициент лобового сопротивления.

2.Формула для плотности мощности ветрового потока

Под плотностью мощности ветрового потока будем понимать кинетическую энергию воздушного потока, переносимую за единицу времени через единичную площадку, перпендикулярно последней.

Обозначим эту величину П . Единица измерения [ П ] = Вт / м2. Размерность плотности мощности M L T -2 L T -1 L-2=M T -3, Очевидно плотность мощности может зависеть только от плотности и скорости воздуха. Попробуйте догадаться, каков будет показатель степени у скорости. Начинаем вывод формулы: M T-3==(M L-3) i

-1) j, откуда получаем: 1= i, -3= -j, при этом размерность L сократилась, что свидетельствует о полноте модели. Итак плотность мощности равна П== v3, где - безразмерный коэффициент

( попробуйте вычислить его точное значение и оценить площадь ветрового потока для создания ветровой электростанции, мощностью 3 млн. кВт при к.п.д. 50%).

3.Формула для скорости звука в газе

Скорость звука в газе определяется плотностью и давлением (или вместо давления температурой) v=v( , P). Вывод формулы очень прост: L T –1= (M L-3) i (M L-1 T -2) j, Откуда получаем: 1= -3i – j, -1= -2j, j=0.5, i=-0.5. Заметим, что размерность при М согласовалась автоматически, что свидетельствует о полноте и правильности модели.

Итак, мы получили v = P . Эта формула имеет погрешность для

воздуха всего лишь 18%.

Задача №1: Получить с помощью метода размерностей

следующие формулы. Формулу для высоты столба жидкости в

капилляре h , g, , где

- коэффициент поверхностного

натяжения. Формулу для скорости звука в металле v E, , E - модуль Юнга.

- 13 -

Фундаментальные физические принципы и постулаты

1.Постулат однородности времени, утверждает, что перенос начала отсчета времени никак не влияет на физические процессы. Следствием этого постулата является закон сохранения энергии.

2.Постулат однородности пространства, утверждает, что перенос начала координат не влияет на физические процессы. Следствием этого постулата является закон сохранения импульса.

3.Постулат изотропии пространства, утверждает, что поворот системы координат в пространстве не влияет на физические процессы. Следствием этого постулата является закон сохранения момента импульса.

4.Постулат постоянства скорости света. (Следуя Пуанкаре можно сказать, что без этого постулата нельзя синхронизировать часы даже в одной и той же системе координат).

5.Принцип относительности, утверждает, что все физические процессы выглядят одинаково во всех инерциальных системах отсчета (при одинаковых начальных условиях).

6.Принцип наименьшего действия, утверждает, что для любой физической системы существует величина, называемая действием, которая для реального физического процесса достигает минимума (в общем случае экстремума).

По существу это интегральный принцип, система как бы прощупывает возможные действия от начала до самого конца, при этом возникает кажущаяся противоречивость с дифференциальными принципами движения. Долгое время этот принцип использовался теологами в качестве обоснования существования бога.

7.Принцип «деградации» энергии, утверждает, что в термодинамических системах всегда имеется тенденция превращения упорядоченных форм движения в хаотические формы движения (принцип возрастания энтропии).

8.Постулат равенства действия и противодействия (третий закон Ньютона).

9.Постулат инвариантности заряда.

10.Принцип корпускулярно-волнового дуализма, согласно которому все микроскопические объекты обладают свойствами, как частиц, так и волн.

11.Принцип неопределенности, согласно которому существуют пары физических величин, которые не могут быть одновременно измерены точно. Например, координаты и скорость частиц.

-14 -

12.Принцип андетерминизма, утверждает, что в микроскопических и

внекоторых макроскопических системах не работают жесткие детерминистические схемы.

Разделение физических величин на дифференциальные и интегральные

Многие принципы физики являются дифференциальными, например второй закон Ньютона. Положение материальной точки через заданный малый промежуток времени определяется только еѐ предыдущими значениями координатат и скорости, аналогично, значение скорости будет определяться исключительно значениями прежней скорости, ускорения и промежутка времени.

В противовес этому интегральный принцип наименьшего действия требует исследования всех будущих положений материальной точки и выбора затем оптимальной траектории. Однако кажущаяся противоречивость интегральных законов никак не преуменьшает их значения. Более того, интегральные законы, как правило, легче проверить на опыте. Например, интегральный закон Ома I U / R содержит легко измеряемые величины, в отличие от закона Ома в

 

 

 

дифференциальной форме

j

E , где содержится вектор

напряженности электрического поля, который не так то просто измерить.

Важно понимать, что физические величины могут быть разделены на дифференциальные, определяющие физическую характеристику в данный момент времени и в данной точке пространства и интегральные.

 

 

Таблица 5

Интегральные величины

 

Дифференциальные величины

V -объем, S - площадь, L - длина

 

r -радиус-вектор, координаты

 

 

 

 

v

-скорость, a -ускорение

 

 

S - путь, S - перемещение

 

 

m -масса

-плотность массы

I - ток

 

плотность тока

j

 

 

q -заряд

плотность заряда

 

 

 

F -сила

f

-плотность силы

 

 

 

p -импульс

 

 

 

 

работа, энергия,

мощность

- 15 -

температура

теплоемкость

энтропия

E , B -напряженность электрического поля и индукция магнитного поля

Вопросы для контроля:

Перечислите фундаментальные физические взаимодействия.

Какие виды физических взаимодействий используются в оптике?

Почему нельзя объяснить свойства вещества только с помощью электромагнитных взаимодействий?

Чем единица физической величины отличается от размерности физической величины?

Перечислите основные и дополнительные единицы метрической системы СИ.

Перечислите основные метрические приставки СИ.

В чем заключается основная идея метода размерностей.

Для каких физических зависимостей трудно получить хорошее приближение с помощью метода размерностей?

Перечислите и поясните фундаментальные физические принципы.

Раздел 1 . МЕХАНИКА 1 . 1 . О с н о в н ы е о п р е д е л е н и я к и н е м а т и к и

1.Механическое движение – изменение положения тела в пространстве относительно других тел с течением времени.

2.Материальная точка (МТ) – тело, размерами которого можно пренебречь при описании его движения.

3.Траектория – линия в пространстве, вдоль которой движется МТ (совокупность последовательных положений МТ, занимаемых ею в процессе движения).

4.Система отсчета (СО) включает в себя:

тело отсчета;

систему координат, связанную с этим телом;

прибор для измерения времени, включая выбор начальной точки отсчета времени (при этом, если используются несколько часов, то они должны быть синхронизированы).

5.Основная (обратная) задача кинематики: найти закон

(уравнения) движения тела в заданной системе отсчета.

- 16 -

Например, уравнения движения тела, брошенного под углом к горизонту, выглядят так:

x(t) v0 cos t , y(t) v0 sin t g t 2 / 2 .

При этом все остальные задачи, нахождение пути, высоты подъема, дальности, времени являются вспомогательными и, как правило, легко решаются на основании уравнений движения. Прямая задача кинематики заключается в вычислении параметров движения по заданным уравнениям движения.

6.Поступательное движение однозначно определяется по одному из следующих признаков:

все точки тела движутся по траекториям одинакового вида;

любой отрезок прямой линии, проведенный внутри тела, при поступательном движении остается параллельным самому себе;

все точки тела движутся с одинаковой скоростью.

7.Вращательное движение – такое движение, при котором все точки тела движутся по окружностям, центры которых лежат на одной прямой, называемой осью вращения Плоское движение твердого тела можно разложить на поступательное и вращательное движение.

8.Путь – это длина траектории (измеренная с учетом кратности прохождения отдельных ее участков).

9.Средняя скорость – это векторная физическая величина, равная отношению перемещения к промежутку времени, за который это перемещение осуществлено.

10.Среднее значение модуля скорости (средняя путевая скорость) –

это скалярная физическая величина, равная отношению пути к промежутку времени, за который пройден этот путь.

11. Мгновенная скорость - это векторная физическая величина, равная первой производной вектора перемещения (или радиус-вектора)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ds

 

s

 

 

 

 

 

 

 

 

 

по времени: v s

dt

lim t 0

t ,

 

s

 

 

 

 

 

 

 

x

и т.д.

 

 

или v

r , в проекциях получаем: v

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12. Ускорение- - это векторная физическая величина,

равная первой

производной вектора скорости по времени:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dv

 

v

 

 

 

 

а

v

 

lim t 0

 

, в проекциях получаем:

ax vx

и т.д.

dt

t

- 17 -

Таблица типов движения:

Таблица 6

Равномерное

 

 

 

 

 

 

 

движение:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

const

 

 

 

 

 

 

 

Равнопеременное движение: a

 

 

 

const

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Прямолинейное

 

Криволинейное

Равноускоренное

Равнозамедленное

равномерное

 

 

равномерное

 

 

 

увеличивается

 

 

 

 

уменьшается

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v

 

 

 

v

 

v

const

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a 0

 

 

 

a 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a v

a

 

v

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

v

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

13. Уравнение (закон) равнопеременного движения:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r (t) r0

v0

t

 

 

 

 

 

,

 

или

 

 

 

в

координатной

форме:

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x(t) x0 v0 x t

a

x

t

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

14.

 

Уравнение (закон) изменения скорости при равнопеременном

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

движении:

v(t) v0

a t ,

или

в координатной

форме:

vx (t) v0 x ax t

15. Формула для средней скорости при равнопеременном движении:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v0

v

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

vср

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

16. Преобразования Галилея,

формула

сложения

скоростей:

 

 

 

 

 

 

 

 

Пусть имеются две системы отсчета, К и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

К,

 

причем

К

движется

вдоль

 

 

 

 

 

 

 

 

положительного

направления

X

с

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

постоянной скоростью v0

и в начальный

 

 

 

 

 

 

 

 

момент

времени

начала

координат

 

 

 

 

 

 

Рис.2

 

 

 

 

 

 

 

 

совпадали,

тогда

 

очевидно

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r r

v t ,

- это

и

есть

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

преобразования

координат,

 

времени

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Галилея.

Продифференцировав преобразования Галилея по времени,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

получим

классическую

формулу сложения

скоростей

v v v0 .

Скорость МТ относительно условно неподвижной системы отсчета равна векторной сумме скоростей, относительно подвижной СО и подвижной СО относительно неподвижной.

- 18 -

 

 

 

 

 

v2

v2

17. Формула для пути с исключенным временем: s

 

 

0

.

x

 

 

 

 

 

 

2

ax

 

 

 

 

 

Основные

определения

кинематики

вращательного

движения:

18. Период – это значение интервала времени, за который тело

совершает

полный

оборот

по

циклической

траектории.

Частота

величина

обратная

периоду, 1 T ,

c 1 Гц .

Число

оборотов в

секунду равно

частоте, но обозначается n,

n об / с .

 

 

 

 

 

19. Угловая скорость – скалярная величина, равная первой производной угла поворота по времени, ddt . Далее мы введем угол и угловую скорость как векторные величины. При равномерном

движении 2 2 .

T

20. Ускорение при криволинейном движении – имеет две составляющие: тангенциальную, отвечающую за изменение скорости по величине и нормальную, или центростремительную, отвечающую за

искривление траектории

 

 

 

 

 

 

 

d

 

 

 

 

dv

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d

 

 

 

 

 

a

 

 

 

(v )

 

 

v

 

 

 

 

 

 

dt

dt

 

 

dt

 

 

 

 

С учетом выражения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(i

cos j

sin )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dt

dt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.3

 

 

( i

sin j

cos )

 

 

 

n

 

 

 

dt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

окончательно получаем: a v ,

 

an

 

 

n

 

R n

, где n -

 

R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

единичный вектор, направленный к центру кривизны,

v v -

единичный вектор вдоль касательной к траектории. Более компактный

 

 

- 19 -

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d

 

 

 

 

вывод выглядит так:

d

d dt , следовательно,

 

и

dt

an v .

 

 

 

 

 

Типичные задачи кинематики:

Задача №2. Чему равна скорость точек A,B,C,D на диске, рис.4,

катящемся

по

плоскости

без

 

 

 

 

 

 

проскальзывания (чистое качение).

 

 

 

Изобразите геометрическое место точек

 

 

 

диска, у которых скорость по модулю

 

 

 

равна

скорости

поступательного

 

 

 

движения диска.

 

 

 

 

 

Задача № 3. Два автомобиля едут в

 

 

 

 

попутном направлении с заданной

 

 

 

 

скоростью. На какой минимальной

 

 

Рис.4

 

дистанции необходимо держаться

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

второму автомобилю, чтобы обезопасить себя от попадания камней, вырывающихся из-под колес первого автомобиля. Под каким углом к горизонту в системе отсчета, связанной с землей вылетают самые опасные камни? Сопротивлением воздуха пренебречь.

Ответ: v02 / g , 67,50 - вперед по ходу движения.

Задача № 4. Критическое для тела человека кратковременное ускорение (при котором есть шанс избежать серьезных травм) равно 30g . Каким должен быть минимальный тормозной путь, если

начальная скорость автомобиля равнялась 100км/ч?

Задача № 5. (№1.23 из сборника задач [5]). Точка движется, замедляясь, по прямой с ускорением, модуль которого зависит от ее

скорости v по закону a v , где - положительная постоянная. В начальный момент скорость точки равна v0 . Какой путь она пройдет до остановки? За какое время этот путь будет пройден?

Решение: записывая выражение для модуля ускорения a ddtv и,

разделяя переменные, получим: dv t . Интегрируя с учетом v

- 20 -

начального условия t 0, v v0 , получим: v v0 12 t .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

Остановке соответствует момент времени t

0

v

0

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Интегрируя выражение для скорости, получаем

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

t)2 dt

2

(v0 ) 32 . Ответ: S

2

(v0 ) 32 .

S

(

v0

 

 

 

3

 

 

 

0

2

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задача №6 (№ 1.39 из сборника задач [5]). Точка движется по дуге окружности радиуса R. Ее скорость зависит от пройденного пути S по

закону V S , где – постоянная. Найти угол между вектором полного ускорения и вектором скорости в зависимости от S.

 

 

 

 

dS

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение:

 

 

S .

 

Разделив

переменные

и

проинтегрировав,

 

 

dt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S (t)

2

t

2

 

 

2

 

 

 

2

 

 

 

 

2

 

t 2

получим:

4

 

;

V

 

t ;

a

 

 

 

;

a

ц

 

 

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

2

 

 

 

4

 

R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

aц

 

2

 

t 2

2S

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

tg a

 

2

 

R

R

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вопросы для контроля:

Можно ли утверждать, что каждая частица покоится в собственной системе отсчета?

Можно ли утверждать, что ускорение автомобиля равно нулю, если спидометр все время показывает одно и тоже значение?

В какой точке траектории снаряд имеет наименьшую скорость?

В чем ошибочность утверждения, что равнопеременное движение – это движение с постоянным по величине ускорением?

Как вы себе представляете синхронизацию часов, находящихся в разных частях пространства?

Можно ли по уравнению траектории восстановить уравнение движения тела?

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]