Курс физики

1. ФИЗИКА

2.

Литература
1. Хавруняк В. Г. Курс физики. - М.: НИЦ ИНФРА-
М, 2014. - 400 с. - ЭБС "Знаниум".
2. Рогачев Н. М. Курс физики. - М.: Лань, 2010. 448 с. . - ЭБС "Лань".
3. Трофимова Т.И. Курс физики.- М. : Академия,
2010. - 560 с.
4. «Физика. Лабораторный практикум» . - ЭБС
«ВГЛТУ»
- «Механика»
- «Молекулярная физика. Термодинамика»
- «Электростатика. Постоянный ток»
2

3.

5. Физика. Методическое пособие и задания к
контрольным работам для студентов факультета заочного
обучения специальностей: «Автомобили и автомобильное
хозяйство», «Автомобили и автомобильное хозяйство»
(сокращенная программа), «Технология
деревообработки»/ Б.М. Кумицкий, А.М. Бомбин, И.П.
Бирюкова ; ГОУ ВПО "ВГЛТА".– Воронеж, 2009.– 94 с
Номер варианта выбирается по последней цифре номера зачетной книжки
.
Вариант
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0
Контрольная работа №1
Номера задач
1.11
1.12
1.13
1.14
1.15
1.21
1.22
1.23
1.24
1.25
1.42
1.43
1.44
1.45
1.46
1.31
1.32
1.33
1.34
1.35
2.13
2.14
2.15
2.16
2.17
2.26
2.27
2.28
2.29
2.30
2.44
2.45
2.46
2.47
2.48
2.56
2.57
2.58
2.59
2.55
3.05
3.06
3.07
3.08
3.09
3.12
3.13
3.14
3.15
3.16
3.46
3.47
3.48
3.49
3.50
3.53
3.54
3.55
3.56
3.57
Вариант
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0
Контрольная работа №2
Номера задач
4.01
4.02
4.03
4.04
4.05
4.11
4.12
4.13
4.14
4.15
4.42
4.43
4.44
4.45
4.46
4.31
4.32
4.33
4.34
4.35
5.13
5.14
5.15
5.16
5.17
5.06
5.07
5.08
5.09
5.10
5.44
5.45
5.46
5.47
5.48
5.35
5.36
5.37
5.38
5.39
6.05
6.06
6.07
6.08
6.09
6.12
6.13
6.14
6.15
6.16
6.26
6.27
6.28
6.29
6.30
6.53
6.54
6.55
6.56
6.57
3

4.

ПЛАН РАБОТЫ
Лекции – 1 установочная и 2 лекции в летнюю сессию
Лабораторный практикум – 5 занятий – 3 лабораторные работы.
Самостоятельная контрольная работа – 6 задач
Контроль самостоятельной работы – 1 задача из варианта на выбор
преподавателя
Рейтинговая система назначения баллов
- Посещение и конспект на лекции 5 баллов, итого 15 баллов
- За каждую ЛР максимум 10 баллов, итого 30 баллов, посещение
лабораторного занятия 2 балла, итого 10 баллов (всего в сумме 40 баллов)
- За самостоятельную контрольную работу максимум 20 баллов
- За контроль самостоятельной работы 5 баллов
- За тест-зачет максимум 20 баллов
Зачет – ставится, если:
1.Выполнены 3 лабораторные работы, сдана самостоятельная работа.
2.Если рейтинг меньше 60 баллов, то зачет ставится после ответа на тест.
4

5.

Все науки можно разделить на две группы –
на физику и коллекционирование марок.
Эрнест Резерфорд
Физика – наука о наиболее общих законах
природы. Она изучает простейшие формы
движения материи и их взаимные превращения.
Физика – наука экспериментальная, и
эксперимент является одним из основных
методов исследования в физике. Законы
устанавливают связь между физическими
величинами.
5

6.

В настоящее время обязательной к
применению является Международная система
единиц System International – Система
Интернациональная (СИ), которая состоит из:
семи основных единиц
метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, моль,
кандела
и двух дополнительных
радиан и стерадиан.
6

7. Механика

- часть физики, которая изучает
закономерности механического движения и причины,
вызывающие или изменяющие это движение.
Механическое движение - изменение
взаимного положения тел или их частей в
пространстве с течением временем.
7

8.

Основные законы механики
установлены итальянским физиком и
астрономом Г. Галилеем (1564 – 1642)
и окончательно сформулированы
английским физиком И. Ньютоном
(1643 – 1727).
Механика Галилея и Ньютона
называется классической, т.к. она
рассматривает движение
макроскопических тел со
скоростями, значительно
меньшими скорости света в
вакууме.
8

9.

Кинематика (от греческого слова kinema – движение)
изучает движение тел без учета их массы и действующих
на них сил.
Динамика (от греческого dynamis – сила)
изучает движения тел в связи с теми причинами, которые
обуславливают это движение.
Статика (от греческого statike – равновесие)
изучает условия равновесия тел.
Поскольку равновесие – есть частный случай движения, законы
статики являются естественным следствием законов динамики и в
9
данном курсе отдельно не изучается.

10. Модели в механике

Материальная точка –
это тело, размерами, формой и
внутренним строением которого в
данной задаче можно пренебречь.
Абсолютно твердое тело –
это тело, которое не может деформироваться,
и при всех условиях расстояние между любыми двумя
точками этого тела остается постоянным.
Сплошная среда –
это модель, в которой не учитывается дискретное
(молекулярное) строение;
предполагается, что вещество непрерывно
распределено в пространстве.

11. Система отсчета

Всякое движение относительно.
Система отсчета – это набор инструментов
для исследования движения:
тело отсчета,
связанная с ним система координат,
прибор измерения промежутков времени - часы.
Траектория – это линия, вдоль которой
движется материальная точка.
11

12.

Поступательное движение
Вращательное движение
Поступательным
называется движение, при
котором траектории всех
точек тела одинаковы.
Движение называется
вращательным, если все
точки тела движутся по
окружностям, центры
которых лежат на одной
прямой, называемой осью
вращения.
12

13.

Поступательное движение
Путь – это длина
траектории.
Перемещение – это вектор,
равный разности радиусвекторов точки для двух
разных моментов времени
Вращательное движение
Угол поворота – это угол,
на который
поворачивается радиус за
время движения.
r r2 r1
13

14.

Поступательное движение
Вращательное движение
Скорость
Угловая скорость -
Средней скоростью
за конечный промежуток
времени называется
отношение совершенного
перемещения к этому
промежутку времени
r r2 r1
v
t t 2 t1
Мгновенная скорость – это
первая производная радиусвектора точки по времени
dr
v
dt
это векторная величина,
равная первой производной
угла поворота по времени
d
dt
Вектор угловой скорости
направлен вдоль оси
вращения тела.
14

15.

Поступательное движение
Вектор мгновенной
скорости направлен по
касательной к
траектории.
Модуль мгновенной
скорости
dr dS
v
dt
dt
скорости на оси координат
dy
υy
dt
Для равномерного
вращательного движения
Период – это время одного
полного оборота.
Частота – это число
оборотов за единицу
времени:
1
Проекции вектора
dx
υx
dt
Вращательное движение
dz
υz .
dt
T
Циклическая частота (или
угловая скорость) – это
число оборотов за 2p
секунд
2p
T
2p
15

16.

Поступательное движение
Вращательное движение
Если известна зависимость
Если известна зависимость
v(t) то, проинтегрировав
это выражение по
времени, получим
величину пути:
это выражение по
времени, получим
величину угла поворота:
t2
S v (t ) dt
t1
(t) то, проинтегрировав
t2
(t ) dt
t1
16

17.

Поступательное движение
Ускорение - это первая
производная скорости по
времени или вторая
производная радиусвектора по времени
dv
d 2r
a
dt
dt 2
а а аn
a
2
a an
Вращательное движение
Угловое ускорение - это
первая производная
угловой скорости по
времени или вторая
производная угла
поворота по времени
d d
dt
dt 2
2
2
17

18.

Поступательное движение
Вращательное движение
Тангенциальное ускорение
характеризует изменение
модуля скорости
a
dv
dt
Нормальное ускорение
характеризует изменение
направления вектора
скорости
v2
an
2R
R
а и v
коллинеарны.
Векторы
a n направлен к
центру кривизны
траектории.
Вектор
18

19.

Связь между линейными и угловыми
величинами
S R
( в радианах )
v R
a R ,
an R
2
19

20. Динамика

изучает механическое движение тел
как следствие причины, вызывающей
или изменяющей это движение.
20

21.

В классической механике состояние
системы определяется совокупностью
значений координат и импульсов тел системы.
по заданным начальным значениям координат и
импульса тела и действующим на него силам
рассчитать координаты и импульс тела для
любого другого момента времени.
21

22. Инерциальные системы отсчета

Система отсчета называется инерциальной, если её
тело отсчёта не испытывает внешние воздействия.
В инерциальных системах отсчета тела находятся в
состоянии покоя или прямолинейного и
равномерного движения до тех пор, пока на них не
подействуют другие тела.
Однородность пространства и времени означает,
что наблюдаемые физические свойства и явления
одинаковы в любой точке пространства и в любой
момент времени.
Изотропность пространства предполагает, что в
пространстве все направления равноправны и
физические явления в замкнутых системах не
изменяются при ее повороте в пространстве.
22

23.

Вращательное движение
Поступательное движение
Сила F - вектор,
характеризующий степень
воздействия на тело других
тел.
О
Моментом силы
относительно оси Z называется
скалярная величина MZ , равная
произведению проекции силы F
на плоскость, перпендикулярную
оси вращения, на плечо этой
силы относительно данной оси:
M Z FXY l
Равнодействующая сила:
F F1 F2 Fn
[F ] = Н
[MZ ] = Н м
23

24.

Поступательное движение
Точка пересечения линий
действия сил, вызывающих
поступательное движение
тела, называется центром
инерции данного тела.
Вращательное движение
Плечом силы
относительно оси
называется расстояние
между линией действия
силы и данной осью.
Результирующий
момент силы:
n
M Z M iZ
i 1
24

25.

Поступательное движение
Масса – мера инертности
тела в поступательном
движении.
Инертностью называется свойство
тел сохранять состояние покоя
или прямолинейного и
равномерного движения.
Масса – величина аддитивная:
n
m mi
i 1
m dm
V
Вращательное движение
Момент инерции – мера
инертности тела во
вращательном
движении.
Моментом инерции материальной
точки называется произведение
массы этой точки на квадрат
расстояния от точки до оси
вращения:
J iZ mi riZ2
Момент инерции – величина аддитивная:
n
J Z J iZ
i 1
[ m ] = кг
J Z rZ2 dm
V
[ J ] = кг м2
25

26.

Поступательное движение
Импульс материальной
точки равен произведению
массы точки на ее
скорость:
pi miv i
Вращательное движение
Момент импульса
материальной точки равен
произведению модуля импульса
на расстояние от точки до оси:
LiZ pi riZ
Или
Момент импульса
материальной точки равен
произведению момента инерции
на угловую скорость точки:
LiZ J iZ
[ p ] = кг м/с
[ L ] = кг м2/с
26

27.

Поступательное движение
Вращательное движение
1687 год
Первый закон Ньютона
Тело покоится или движется
прямолинейно и равномерно,
пока другое тело не изменит
это состояние:
v const
пока
F 0
Тело вращается равномерно или
покоится, пока результирующий
момент сил, действующих на тело
относительно оси вращения, равен
нулю:
const
пока
MZ 0
27

28.

Поступательное движение
Вращательное движение
Второй закон Ньютона:
ускорение тела прямо
пропорционально
равнодействующей силе и
обратно пропорционально
массе тела:
F
a
m
28

29.

Поступательное движение
Вращательное движение
Основное уравнение динамики
поступательного движения:
Основное уравнение динамики
вращательного движения:
F ma
равнодействующая внешних сил
равна произведению массы на
ускорение тела.
M Z J Z
суммарный момент внешних сил
равен произведению момента
инерции на угловое ускорение
тела.
dp
F
dt
dL Z
MZ
dt
скорость изменения импульса
тела равна равнодействующей
сил, действующих на тело.
скорость изменения момента
импульса равна
результирующему моменту
силы, действующему на тело.
29

30.

Поступательное движение
Вращательное движение
Третий закон Ньютона:
силы взаимодействия двух тел
равны по модулю,
противоположны по направлению
и действуют вдоль прямой,
соединяющей эти тела:
F12 F21
Силы взаимодействия имеют
одинаковую природу,
появляются и исчезают
одновременно.
30

31.

Поступательное движение
Система, для которой
равнодействующая внешних
сил равна нулю, называется
замкнутой (или изолированной).
dp
F 0
dt
p const
Закон сохранения
импульса
p
i 1
Закон сохранения
момента импульса
суммарный момент
импульса тел замкнутой
системы не изменяется с
течением времени:
LZ
суммарный импульс тел
замкнутой системы не
изменяется с течением
времени:
n
p
Вращательное движение
i
Закон сохранения импульса
является проявлением свойства
однородности пространства.
n
L
i 1
iZ
Закон сохранения момента импульса
является проявлением свойства
изотропности пространства.
31

32.

Поступательное движение
Вращательное движение
Система, для которой
равнодействующая внешних
сил равна нулю, называется
замкнутой (или изолированной).
dp
F 0
dt
p const
Закон сохранения
импульса
суммарный импульс тел
замкнутой системы не
изменяется с течением
времени:
n
p
i 1
i
const
Закон сохранения импульса
является проявлением свойства
однородности пространства.
Закон сохранения
момента импульса
суммарный момент
импульса тел замкнутой
системы не изменяется с
течением времени:
n
L
i 1
iZ
const
Закон сохранения момента импульса
является проявлением свойства
изотропности пространства.
32

33. Работа

является количественной мерой
превращения одних форм движения
материи в другие.
33

34.

Поступательное движение
Вращательное движение
Элементарная работа силы:
Элементарная работа
момента силы:
A (F , dr )
A F dr cos F dS cos
dr = dS - путь точки приложения
силы за малый промежуток
времени dt;
A M d
d - угол поворота за малый
промежуток времени dt;
- угол между векторами Fи dr
[A] = Н м = Дж
34

35.

Поступательное движение
Вращательное движение
А = 0, если dr = 0 или p/2
A > 0, если 0 < p/2
A < 0, если p/2 < p
2
2
S2
1
1
S1
A12 A ( F dr ) F dS
A12
2
M d
1
35

36.

Поступательное движение
Вращательное движение
Мощность –
это работа, совершенная
силой за единицу времени:
A (F dr )
P
(F v )
dt
dt
A (M Z d )
P
(M Z )
dt
dt
[P] = Дж/с = Вт
36

37. Энергия

- это количественная мера
различных форм движения материи
и взаимодействий.
Работа, совершенная системой,
равна убыли энергии системы:
А = – Е
[Е] = [A] = Дж
37

38.

Кинетическая энергия –
это энергия движения.
Конкретный вид функции Ек(v) зависит от вида механического движения.
38

39.

Поступательное движение
Вращательное движение
Кинетическая энергия
материальной точки
Кинетическая энергия
материальной точки
пост
Е Ki
pi2
miv i2
2mi
2
mi
– масса материальной точки;
vi – её скорость.
Кинетическая энергия
тела
2
Е
пост
K
mv
2
m – масса тела;
v – скорость его центра инерции.
Изменение кинетической энергии
тела равно работе
равнодействующей силы.
Е Kiвращ
J i i2
2
Ji - момент инерции материальной точки;
i – её угловая скорость.
Кинетическая энергия тела
J 2
вращ
ЕK
2
J – момент инерции тела.
При поступательно-вращательном
движении:
Е
кат
K
Е
пост
K
Е
вращ
K
mvC2 J C 2
2
2
39
Опыт с палитрой

40.

Потенциальная энергия –
это энергия взаимодействия тел
системы.
Конкретный вид функции
Ер(r) зависит от характера силового поля.
40

41.

Гравитационное взаимодействие
2
2
2
1
1
1
A12 (F dr ) F dr cos mg dh (mgh2 mgh1 )
Ep = mgh
Упругое взаимодействие
k 2 k 2
A12 (F dr ) F dr cos k x dx ( x 2 x1 )
2
2
1
1
1
2
2
Ep
2
kx
2
2
41

42.

Закон сохранения
механической энергии
Механическая энергия замкнутой системы,
в которой действуют только консервативные
силы, не изменяется с течением времени.
E к E p const
Работа консервативных сил по любой замкнутой
траектории равна нулю.
42

43. ЭЛЕМЕНТЫ РЕЛЯТИВИСТСКОЙ МЕХАНИКИ

- механики высоких скоростей.
43

44. Принцип относительности Галилея

Система отсчета К движется относительно К со скоростью
u const
Преобразования Галилея.
x x ut
y y
z z
t t
v x v x u x
F F
m m
F ma
v v u
a a
F ma
Все законы механики одинаковы для всех ИСО.
Никакими опытами по механике невозможно определить,
движется ли данная инерциальная система отсчета или
покоится.
44

45.

Классическая механика прекрасно
«работает» пока скорость тела много
меньше скорости света.
Однако при скоростях, соизмеримых со
скоростью света, ньютоновская механика
«даёт сбой»:
Опытные факты по определению скорости света
противоречат классическому закону сложения
скоростей.
Имеется противоречие между классической
механикой и уравнениями Максвелла, лежащими в
основе понимания света, как электромагнитной волны.
45

46.

Для устранения этих
противоречий необходимо
было создать новую теорию,
которая убрала бы эти
противоречия и содержала
бы ньютоновскую механику
как предельный случай для
малых скоростей (v << c).
Это удалось Альберту
Эйнштейну, который заложил
основы специальной теории
относительности (СТО).

47.

В основе СТО лежат два постулата:
Принцип относительности: все законы природы
одинаково выполняются во всех инерциальных системах
отсчета. Никакие физические опыты не позволяют
обнаружить, движется ли эта система прямолинейно и
равномерно или покоится.
Принцип инвариантности (постоянства) скорости
света: скорость света в вакууме не зависит от скорости
движения источника света или его приемника и одинакова
во всех ИСО.
Скорость света в вакууме с = (299792458,0 1,2) м/с
или с
3 108 м/с.
47

48.

В СТО преобразования Галилея заменяются
преобразованиями Лоренца, которые удовлетворяют
постулатам СТО:
При малых скоростях (u << c) преобразования Лоренца
переходят в преобразования Галилея, т.е. выполняется
принцип соответствия: классическая теория является частным
случаем теории относительности.
48

49.

Следствия из преобразований Лоренца
Если в одной системе отсчета некоторые события
происходят в точках x1 и x2 в один и тот же момент
времени t, то в другой системе отсчета эти события
происходят в точках x'1 и x'2 в разные моменты времени
t '1 и t '2
u
t1 t 2 2 x 2 x1
c
То есть одновременность событий оказывается зависит
от выбора системы отсчета.
Одновременность событий относительно разных
ИСО нарушается.
49

50.

Если в одной системе отсчета длительность события
равна = t2 – t1, то в другой системе отсчета длительность
этого же события ' = t2' – t1'
1
u2
c2
Это соотношение выражает релятивистский эффект
замедления времени:
длительность события наименьшая относительно
той системы отсчета, в которой точка, где
происходит событие, неподвижна.
50

51.

Если в одной системе отсчета покоящаяся линейка имеет
длину l, то в системе отсчета, в которой линейка движется
со скоростью u вдоль своей оси, ее длина
u2
l l 1 2
c
Этот эффект называется релятивистским сокращением
продольных размеров тела. Поперечные размеры тела
не изменяются.
Длина отрезка уменьшается в направлении
движения в системе отсчета, относительно
которой отрезок движется.
51

52.

Релятивистский закон сложения скоростей
Если в одной системе отсчета тело имеет скорость v'x,
то его скорость vx в другой системе отсчета
v х u
vх
2
1 v u /c
Если v << c и u << c , то получим классический закон сложения
скоростей.
Если v' = c, то
v
c u
c , что не противоречит постулату СТО.
u
1 c
52

53.

Инвариантом является интервал
s c t l
2
2
2
2
где t - промежуток времени между двумя событиями;
l 2 x 2 y 2 z 2 - расстояние между двумя
точками, в которых произошли
эти события.
Инвариантность интервала отражает органическую
связь между пространством и временем, как единую
форму существования материи.
53

54.

Основной закон релятивистской
динамики
По определению импульс тела p mv . Поэтому основное
уравнение динамики поступательного движения можно
записать в виде:
dv
m
F
dt
Решая это уравнение для случая v = 0 при t = 0 и F const ,
получаем
v аt
То есть скорость может быть сколь угодно большой.
Например, если а = 10 м/с2, то скорость достигнет
скорости света приблизительно через год.
54

55.

Для больших скоростей следует уточнить
определение импульса, дополнив выражение для
него множителем, который обращался бы в единицу
при малых скоростях:
mv
p
1
v2
c2
Основной закон релятивисткой динамки
dp
F
dt
Вместо
v
v аt
получим
at
at
1
c
2
55

56.

Энергия релятивистской частицы
Из определением интервала и релятивистского импульса, можно получить:
W p c W
2
W
mc 2
1
v2
c2
Wo mc 2
2
2
2
o
- полная энергия движущегося тела;
- энергия покоя, т.е. энергия тела
относительно ИСО, в которой оно покоится.
56

57.

Энергия покоя не связана с общим движением тела и
соответствует энергии, которая содержится внутри тела.
Энергия покоя это сумма:
кинетической энергии относительного движения
составляющих тело частиц,
потенциальной энергии их взаимодействия,
энергии внутренних полей и т.д.
Масса и энергия представлены в любом теле в
пропорциональных количествах:
Wo mc
2
57

58.

Каждое изменение энергии покоя тела неизбежно
сопровождается пропорциональным изменением его
энергии.
При ядерных реакциях синтеза выделяется энергия
W mc 2
где m - дефект массы, равный разности массы
исходного ядра и массы ядер продуктов реакции.
Этой же формуле подчиняется тепловой эффект и
обычных химических реакций.
Изменяется также масса тела при нагревании или
деформации, но эти изменения незначительны.
58

59.

Разность между полной энергий тела и его энергией
покоя называется кинетической энергий тела:
1
2
W W0 WK mc
1
2
1 v2
c
Это выражение справедливо для любых скоростей.
Если v << c, то это выражение переходит в привычное
WK
mv 2
.
2
59

60. Спасибо за внимание!

60