Предмет физики

Щелкните по ссылке «Предмет физики и ее связь с другими науками», чтобы ознакомиться с презентацией раздела в формате PowerPoint. Для возврата к данной странице закройте окно программы PowerPoint.

Физика – наука, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие закономерности явлений природы, свойства и строение материи, и законы её движения.        Главная цель любой науки, в том числе и физики, рассматривается обычно как приведение в систему представлений о сложных явлениях, регистрируемых нашими органами чувств, т.е. упорядочение того, что мы называем «окружающим нас миром».        Окружающий нас мир, все существующее вокруг нас и обнаруживаемое нами посредством ощущений, представляет собой материю. Материя – это объективная реальность, данная нам в ощущениях.        Неотъемлемым свойством материи и формой её существования является движение – это в широком смысле слова всевозможные изменения материи – от простого перемещения до сложнейших процессов мышления. Дать строгое определение предмета физики довольно сложно, потому что границы между физикой и рядом смежных дисциплин условные.        Академик А.Ф. Иоффе (1880–1960), российский физик, определил физику как науку, изучающую общие свойства и законы движения вещества и поля. В настоящее время общепринято, что все взаимодействия осуществляются посредством полей. Примеры физических полей Гравитационное поле. Электростатическое поле. Магнитное поле Электоромагнитное поле. Поле ядерных сил.        Поле, наряду с веществом, является одной из форм существования материи. Неразрывная связь поля и вещества, а также различие в их свойствах будут рассмотрены нами по мере изучения курса физики.

Лекция 1. Предмет физики.

Физика – это наука о наиболее общих формах движения материи и их взаимных превращениях. Изучаемые физикой формы движения материи (механическая, тепловая, электромагнитная, ядерная) присутствуют во всех высших и более сложных формах движения материи (химических, биологических).Физические формы движения, будучи наиболее простыми, являются и наиболее общими формами движения материи (то есть присутствуют в любых движениях).

Более сложные формы движения изучает химия, биология, социология.

Физика связана с другими естественными науками. Изучение геологии, химии, астрономии, биологии на современном этапе невозможно без физических приборов и физических методов исследования. В результате возникли новые дисциплины: биофизика, физическая химия, химическая физика, астрофизика, геофизика и др. Физика является основой техники. Из нее выросли такиеспецдисциплиныкакэлектротехника,радиотехника, теплофизика, космонавтика.

Связь физики и техники двусторонняя. Физика выросла из потребностей техники (развитие механики у древних греков было связано с запросами строительной и военной техники). Задача построения наиболее экономичных тепловых машин вызывала бурное развитие термодинамики.

С другой стороны развитие физики определяется техническим уровнем производства. Например, современная множительная техники и компьютеры используют лазеры, а дисплеи вычислительных машин сделаны на жидких кристаллах. Все измерительные приборы в физике используют микросхемы (на основе физики полупроводников).

Физика является фундаментальной базой для подготовки инженеров. Работа судна, вертолета, машины основана на физических явлениях и законах. Далее в курсе будем указывать как то или иное физическое явление используется в технике.

1. Кинематика. Движение тел.

Механика– часть физики, которая изучает механическое движение и причины, вызывающие или изменяющие это движение.

Механическое движение– это изменение с течением времени расположения тел или их частей.

Механика состоит из трех частей – кинематики, динамики и статики.

Кинематика изучает движение тел не рассматривая причин, которые вызывают или изменяют это движение. Механическое движение частиц может быть очень сложным. Поэтому вместо изучения движения реальных систем исследуют физические модели, приближенно описывающие движения реальных тел. Простейшая модель тела – материальная точка.

Материальная точка– тело, обладающее массой, но размерами которого можно пренебречь. Понятием материальной точки широко пользуются в механике, так как оно вносит значительное упрощение в движение тел (пример с книгой по столу). Любое тело можно представить как систему взаимодействующих материальных точек. Сначала изучают движение одной материальной точки, а потом переходят к изучению движения системы материальных точек.

В природе нет совершенно недеформирующихся тел. В механике вводится еще одна модель – абсолютно твердое тело – это такое тело, у которого расстояние между двумя точками остается постоянным. В общем случае твердое тело может двигаться очень сложным образом, например шатун с ДВС. Точки движутся по разным траекториям и с разными скоростями.

Любое сложное движение можно представить как комбинацию двух простых движений – поступательного и вращательного.

Поступательное движениетвердого тела это такое движение, при которомвсе точкитела выписывают одинаковые траектории и имеют одинаковые скорости.

Поэтому достаточно описать движение только одной, причем любой, точки. Все остальные будут двигаться так же. Вращательным движениемтела называется такое движение, при котором все точки тела описывают окружности, лежащие в одной или нескольких плоскостях, а центры этих окружностей лежат на одной и той же прямой, называемой осью вращения. Скорости всех точек разные. Поэтому скорость какой либо точки не может служить кинематической характеристикой движения всего тела, а угол поворота одинаков для всех точек. Для характеристики вращательного движения вводят угловые кинематические параметры: угловые скорости и угловое ускорение.

Рис.1.

Предисловие

340

УДК 53

ББК 22.3

Т70

Рецензент: профессор кафедры физики имени А. М. Фабриканта Московского энергетического института (технического университета) В. А. Касьянов

ISBN 5-06-003634-0ГУП «Издательство «Высшая школа», 2001

Оригинал-макет данного издания является собственностью издательства «Высшая школа», и его репродуцирование (воспроизведение) любым способом без согласия издательства запреща­ется.

Учебное пособие написано в соответствии с действующей программой курса физики дляинженерно-технических специальностей высших учебных заведений и предназ­начено для студентов высших технических учебных заведений дневной формы обучения с ограниченным числом часов по физике, с возможностью его использования на вечерней и заочной формах обучения.

Небольшой объем учебного пособия достигнут с помощью тщательного отбора и лаконичного изложения материала.

Книга состоит из семи частей. В первой части дано систематическое изложение физических основ классической механики, а также рассмотрены элементы специальной (частной) теории относительности. Вторая часть посвящена основам молекулярной физики и термодинамики. В третьей части изучаются электростатика, постоянный электрический ток и электромагнетизм. В четвертой части, посвященной изложению теории колебаний и воли, механические и электромагнитные колебания рассматрива­ются параллельно, указываются их сходства и различия и сравниваются физические процессы, происходящие при соответствующих колебаниях. В пятой части рассмо­трены элементы геометрической и электронной оптики, волновая оптика и квантовая природа излучения. Шестая часть посвящена элементам квантовой физики атомов, молекул и твердых тел. В седьмой части излагаются элементы физики атомного ядра и элементарных частиц.

Изложение материала ведется без громоздких математических выкладок, должное внимание обращается на физическую суть явлений и описывающих их понятий и зако­нов, а также на преемственность современной и классической физики. Все биографичес­кие данные приведены по книге Ю. А. Храмова «Физики» (М.: Наука, 1983).

Для обозначения векторных величин на всех рисунках и в тексте использован полужирный шрифт, за исключением величин, обозначенных греческими буквами, которые по техническим причинам набраны в тексте светлым шрифтом со стрелкой.

Автор выражает глубокую признательность коллегам и читателям, чьи доброжела­тельные замечания и пожелания способствовали улучшению книги. Я особенно призна­тельна профессору Касьянову В. А. за рецензирование пособия и сделанные им замечания.

Автор будет благодарен за замечания и советы по улучшению пособия. Просьба направлять их в издательство «Высшая школа» по адресу: 101430, Москва, ГСП-4, Неглинная ул., д. 29/14.

Автор

Введение Предмет физики и ее связь с другими науками

Окружающий вас мир, все существующее вокруг вас и обнаруживаемое нами посред­ством ощущений представляет собой материю.

Неотъемлемым свойством материи и формой ее существования является движение. Движение в широком смысле слова — это всевозможные изменения материи — от простого перемещения до сложнейших процессов мышления.

Разнообразные формы движения материи изучаются различными науками, в том числе и физикой. Предмет физики, как, впрочем, и любой науки, может быть раскрыт только по мере его детального изложения. Дать строгое определение предмета физики довольно сложно, потому что границы между физикой и рядом смежных дисциплин условны. На данной стадии развития нельзя сохранить определение физики только как науки о природе.

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 вес взаимодействия осуществляются посредством полей, например гравитационных, электромагнитных, полей ядерных сил. Поле наряду с ве­ществом является одной из форм существования материи. Неразрывная связь поля и вещества, а также различие в их свойствах будут рассмотрены по мере изучения курса.

* Все данные приведены по биографическому справочнику Ю. А. Храмова «Физики» (М.: Наука, 1983).

Физика — наука о наиболее простых и вместе с тем наиболее общих формах движения материи и их взаимных превращениях. Изучаемые физикой формы движения материи (механическая, тепловая и др.) присутствуют во всех высших и более сложных формах движения материи (химических, биологических и др.). Поэтому они, будучи наиболее простыми, являются в то же время наиболее общими формами движения материи. Высшие и более сложные формы движения материи — предмет изучения других наук (химии, биологии и др.).

Физика тесно связана с естественными науками. Эта теснейшая связь физики с другими отраслями естествознания, как отмечал академик С. И. Вавилов (1891—1955; российский физик и общественный деятель), привела к тому, что физика глубочайшими корнями вросла в астрономию, геологию, химию, биологию и другие естественные науки. В результате образовался ряд новых смежных дисциплин, таких, как астрофизика, биофизика и др.

Физика тесно связана и с техникой, причем эта связь имеет двусторонний характер. Физика выросла из потребностей техники (развитие механики у древних греков, например, было вызвано запросами строительной и военной техники того времени), и техника, в свою очередь, определяет направление физических исследований (напри­мер, в свое время задача создания наиболее экономичных тепловых двигателей вызвала бурное развитие термодинамики). С другой стороны, от развития физики зависит технический уровень производства. Физика — база для создания новых отраслей тех­ники (электронная техника, ядерная техника и др.).

Бурный темп развития физики, растущие связи ее с техникой указывают на значи­тельную роль курса физики во втузе: это фундаментальная база для теоретической подготовки инженера, без которой его успешная деятельность невозможна.

Глава I. Физические основы механики

§ 1. Введение. Предмет физики. Методы физического исследования

Введение. Физика – одна из основных наук о природе. Законы физики – это законы мира, в котором мы живем. Название этой науки – «physic» — ввел древнегреческий ученый Аристотель (384-333 г.г. до н.э.). В переводе на русский язык это слово означает «природа», но под природой Аристотель понимал не просто окружающий человека мир, не естественную среду его обитания, а сущность вещей и событий – то, из чего состоит все сущее в мире, и, то как, и почему именно так, все происходит в мире.

Предмет физики. Физика изучает основные фундаментальные законы природы, т. е. наиболее простые и общие формы движения материи.

Материя – это мельчайшие элементарные частицы: протоны, нейтроны, электроны, ядра и совокупности этих и иных частиц, которые представляют собой различные тела и, кроме того, известные физические поля – гравитационное (поле тяготения) и электромагнитное.  Эти два вида материи (вещество и поле), хотя и глубоко различны по своим свойствам, неразрывно связаны друг с другом и могут переходить при определенных условиях друг в друга.

Связь и взаимодействие между частицами и телами, находящимися на каком-то расстоянии друг от друга по теории близкодействия, осуществляется особого вида материей – физическими полями.

К физическим формам движения материи относятся следующие: механические, гравитационные, тепловые, электромагнитные, атомные и ядерные.

Курс физики совместно с курсом высшей математики и теоретической механики составляет основу теоретической подготовки инженеров; без этой основы невозможна успешная деятельность инженера любого профиля. Физика наука опытная.

Методами физических исследований являются: опыт, гипотеза, теория, эксперимент.

Опыт – основной метод исследования в физике. Опыт – это наблюдение исследуемого явления в точно контролируемых условиях, позволяющих следить за ходом явления и воссоздать его каждый раз при повторении этих условий.

Гипотеза – научное предположение, выдвигаемое для объяснения какого-либо факта или явления. Гипотеза подтверждается опытом.

Эксперимент – научно поставленный опыт с целью проверки гипотезы.

Физическая теория – система основных идей, обобщающих опытные данные и отражающих объективные закономерности природы.

Физическая теория дает объяснения целой области явлений природы с единой точки зрения.

§ 2. Роль физики в развитии техники и влияние техники на развитие физики

Физика тесно связана с техникой. До середины прошлого столетия связь между физикой и техникой носила такой характер, когда техника шла впереди. Создавались технические устройства, возникали технические проблемы, которые затем вызывали к жизни соответствующие физические исследования. VIII век – создана паровая машина.

Начало XIX века – встал вопрос об увеличении кпд тепловых машин.

Сади Карио решил эту проблему, и его работа стала фундаментом для возникновения общего учения о передаче и превращении энергии – термодинамики.

Затем крупные физические открытия стали приводить к созданию новых отраслей техники. Академик С.И. Вавилов (1891-1955), счоветский физик и общественный деятель, сказал, что теснейшая связь физики с другими отраслями естествознания привела к тому, что физика глубочейшими корнями вросла в химию, геологию, астрономию, биологию и т.д.

Физика является основой многих технических наук: теоретической механики, сопромата, электротехники.

Техника стимулирует развитие физики и наоборот. Могучая ускорительная техника способствует развитию исследований по физике атомного ядра и элементарных частиц.

Содружество физики и техники приводит к сокращению временных интервалов между научными открытиями и их технической реализацией.

Фотография -110 лет

Радио – 50 лет

Транзистор – 15 лет

Лазер – 7 лет

Физика тесно связана с математикой. Без математического описания невозможен точный инженерный расчет и развитие физической теории.

Физика – база для создания новых отраслей техники, или научная база, на которой должна основываться общетехническая подготовка специалистов.

Физику подразделяют на классическую и квантовую. Начало классической физики было положено И. Ньютоном, сформировавшим основные законы механики, а завершено развитие классической физики созданием в 1905 г. А. Эйнштейном специальной теории относительности и учитывающей требования этой теории релятивисткой механики.