лекции по физике 1 курс МРБ. не хочу в армию. 1 Физика как наука. Предмет, объект, её роль в жизни человека и общества. Физика как культура моделирования. Размерность физических величин. Системы единиц. Основные единицы физических величин в си
 Скачать 2.24 Mb.
|
|
1 Физика как наука. Предмет, объект, её роль в жизни человека и общества. Физика как культура моделирования. Размерность физических величин. Системы единиц. Основные единицы физических величин в СИ. Физика — это наука, изучающая простейшие, но наиболее общие формы движения материи и их взаимопревращения. Понятие физики, ее роль в современной жизни человека. Создание теории относительности, объяснение периодической системы химических элементов на основе квантовомеханических представлений. Роль фундаментальных физических исследований в развитии техники. Физика - наука, в которой математическое моделирование является чрезвычайно важным методом исследования. Наряду с традиционным делением физики на экспериментальную и теоретическую сегодня уверенно выделяется третий фундаментальный раздел - вычислительная физика Размерность физической величины – выражение в форме степенного одночлена, составленного из произведений символов основных физических величин в различных степенях, которое отражает связь данной величины с основными физическими величинами, принятыми в данной системе, с коэффициентом пропорциональности, равным единице. Система единиц — это совокупность основных и производных единиц, относящихся к некоторой системе величин, построенная в соответствии с принятыми принципами. 2 Прямые и косвенные измерения. Погрешности физических измерений. Относительная и абсолютная погрешность. Случайная и систематическая погрешность. Погрешность электроизмерительных приборов. Задачей физического эксперимента является определение числового значения измеряемых физических величин с заданной точностью. Эта задача решается с помощью прямых или косвенных измерений. При прямом измерении осуществляется количественное сравнение физической величины с соответствующим эталоном при помощи измерительных приборов. Отсчет по шкале прибора указывает непосредственно измеряемое значение При косвенных измерениях интересующая нас физическая величина находится при помощи математических операций над непосредственно измеренными физическими величинами. Погрешность результата измерения – отклонение результата измерения от истинного (действительного) значения измеряемой величины. Абсолютная погрешность измерения – погрешность измерения, выраженная в единицах измеряемой величины. Относительная погрешность измерения– погрешность измерения, выраженная отношением абсолютной погрешности измерения к действительному или измеренному значению измеряемой величины. Случайная погрешность измерения– составляющая погрешности результата измерения, изменяющаяся случайным образом (по знаку и значению) при повторных измерениях, проведенных с одинаковой тщательностью, одной и той же физической величины. Систематическая погрешность измерения– составляющая погрешности результата измерения, остающаяся постоянной или закономерно изменяющаяся при повторных измерениях одной и той же физической величины. Погрешность электроизмерительных приборов - класс точности. 3 Материальная точка. Относительность движения. Основная задача кинематики. Кинематика поступательного движения. Система отсчета. Траектория. Длина пути. Вектор перемещения. Материа́льная то́чка — обладающее массой тело, размерами, формой, вращением и внутренней структурой которого можно пренебречь в условиях исследуемой задачи. Является простейшей физической моделью в механике. Относительность механического движения– это зависимость траектории движения тела, пройденного пути, перемещения и скорости от выбора системы отсчёта. Движущиеся тела изменяют своё положение относительно других тел в пространстве с течением времени. Главной задачей кинематики является математическое определение положения и характеристик движения точек или тел во времени. Любое движение рассматривается в определённой системе отсчёта. При поступательном движении тела все точки тела движутся одинаково, и, вместо того чтобы рассматривать движение каждой точки тела, можно рассматривать движение только одной его точки. Основные характеристики движения материальной точки: траектория движения, перемещение точки, пройденный ею путь, координаты, скорость и ускорение. Линию, по которой движется материальная точка в пространстве, называют траекторией. Система отсчёта - Совокупность неподвижных относительно друг друга тел, по отношению к которым рассматривается движение, и отсчитывающих время часов, по отношению к которой рассматривается движение каких-либо тел. Траектория - линия в пространстве, по которой движется тело, и представляющая собой множество точек, в которых находилась, находится или будет находиться материальная точка при своём перемещении в пространстве относительно выбранной системы отсчёта. Путь — это длина линии, по которой двигалось тело, то есть это число. Вектором перемещения ∆R за интервал времени (t1, t2) называется вектор, соединяющий начальное (в момент t1) и конечное (в момент t2) положения точки. По определению, вектор перемещения равен векторной разности 4 Скорость. Средняя скорость. Мгновенная скорость. Ско́рость — векторная физическая величина, характеризующая быстроту перемещения и направление движения материальной точки относительно выбранной системы отсчёта.  Средней скоростью называют отношение полного перемещения, которое совершило тело, ко времени, за которое совершено это перемещение.  Мгновенная скорость – скорость движения тела в данный момент времени, скорость тела в данной точке траектории  5 Ускорение и его составляющие. Тангенциальное, нормальное, полное ускорение. Физическая величина, которая определяет быстроту изменения скорости, называется ускорением. Математически ускорение определяется отношением изменения скорости к промежутку времени, за которое оно произошло (производная от скорости по времени):  , где  – ускорение;  – изменение скорости;  – промежуток времени, за которое произошло изменение скорости;  – производная скорости по времени.Так как скорость – величина векторная, то она может меняться по модулю и направлению, поэтому ускорение имеет две естественные составляющие: тангенциальную (параллельную вектору скорости) и нормальную (перпендикулярную вектору скорости).  , где – полное ускорение;  – тангенциальная составляющая ускорения;  – нормальная составляющая ускорения. Тангенциальная составляющая ускорения характеризует быстроту изменения величины (модуля) скорости. Тангенциальное ускорение всегда коллинеарно скорости. 1) Если тангенциальная составляющая ускорения сонаправлена со скоростью, то движение будет ускоренное.   2) Если тангенциальная составляющая ускорения противонаправлена скорости, то движение будет замедленным.   Нормальная составляющая ускорения характеризует быстроту изменения скорости по направлению. Нормальное ускорение всегда перпендикулярно скорости и направлено к центру по радиусу траектории, по которой движется тело.   Величина нормального ускорения связана с радиусом траектории и со скоростью движения следующим соотношением:  При прямолинейном движении тело имеет только тангенциальное ускорение. Нормальное ускорение отсутствует, так как скорость тела по направлению остаётся неизменной.  При криволинейном движении, как правило, тело имеет тангенциальную и нормальную составляющую ускорения.  Пoлнoe уcкopeниe xapaктepизуeт измeнeниe cкopocти и пo мoдулю, и пo нaпpaвлeнию. Чacтo пoлнoe уcкopeниe cчитaeтcя paвным вeктopнoй cуммe двуx уcкopeний — кacaтeльнoгo (к) и цeнтpocтpeмитeльнoгo (цc). Kacaтeльнoe уcкopeниe к xapaктepизуeт измeнeниe cкopocти пo мoдулю и нaпpaвлeнo пo кacaтeльнoй к тpaeктopии движeния. Цeнтpocтpeмитeльнoe уcкopeниe цc xapaктepизуeт измeнeниe cкopocти пo нaпpaвлeнию и пepпeндикуляpнo кacaтeльнoй, т. e. нaпpaвлeнo к цeнтpу кpивизны тpaeктopии в дaннoй тoчкe. B дaльнeйшeм мы paccмoтpим двa чacтныx cлучaя: тoчкa движeтcя пo пpямoй и cкopocть измeняeтcя тoлькo пo мoдулю; тoчкa движeтcя paвнoмepнo пo oкpужнocти и cкopocть измeняeтcя тoлькo пo нaпpaвлeнию. 6 Кинематика вращательного движения. Угловые скорость и ускорение. Связь между линейными и угловыми величинами. Единица измерения угловой скорости - рад/с. Угловое ускорение - это величина, характеризующая быстроту изменения угловой скорости. При вращении тела вокруг неподвижной оси угловое ускорение определяется первой производной угловой скорости по времени. Линейная скорость точки тела, вращающегося с угловой скоростью со относительно неподвижной оси, равна векторному произведению угловой скорости тела на радиус-вектор г, определяющий положение точки относительно оси вращения. Обратите внимание, линейная скорость разных точек твёрдого тела различна. Чем дальше от оси вращения расположена точка, тем выше её линейная скорость. Возьмём производную от последнего выражения по времени:   7 Динамика материальной точки и поступательного движения твердого тела. Первый закон Ньютона. Импульс. Масса. Закон сохранения импульса. Динамика рассматривает законы движения тел и причины, вызывающие их. В основе динамики лежат законы Ньютона, понятия силы, массы, импульса, момента импульса и др. Первый закон Ньютона: всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока внешнее воздействие не заставит его изменить это состояние. Условия, при которых тело покоится или движется равномерно и прямолинейно, следующие: 1) на тело не действуют другие тела (одинокое тело во Вселенной, реально не существует); 2) действие других тел компенсируется (это реально). Свойство тел сохранять состояние покоя или равномерного прямолинейного движения называется инерцией. Поэтому первый закон Ньютона называют еще законом инерции. Таким образом, тела обладают внутренним свойством – свойством инерции. Масса – является мерой инертности материальных тел. Импульс - векторная физическая величина, являющаяся мерой механического движения тела. Закон сохранения импульса - Векторная сумма импульсов всех тел, входящих в замкнутую систему, остается постоянной при любых взаимодействиях этих тел между собой внутри системы. Данный закон является следствием из второго и третьего законов Ньютона. 8 Второй и третий закон Ньютона. Основное уравнение динамики поступательного движения для произвольной системы тел. Теорема о движении центра масс. 2-й закон Ньютона- ускорение, полученное телом в результате взаимодействия, прямо пропорционально равнодействующей всех сил, действующих на тело, и обратно пропорционально массе тела: Выражение справедливо для любых сил любой природы.  Третий закон Ньютона - ускорения взаимодействующих тел направлены по одной прямой в противоположных направлениях. Вывод:  или  . Любые два тела взаимодействуют силами одной природы направленными вдоль одной прямой, равными по величине и противоположными по направлению.Основное уравнение динамики поступательного движения для произвольной системы тел -  Теоре́ма о движе́нии це́нтра масс — одна из теорем динамики, следствие законов Ньютона. Утверждает, что ускорение центра масс системы не зависит от внутренних сил взаимодействия между телами системы, и связывает это ускорение с внешними силами, действующими на систему. 9 Силы в механике. Сила тяжести, упругости, трения, вес. Закон всемирного тяготения. В механике обычно имеют дело с тремя основными видами сил: силой тяжести, силой упругости и силой трения.   Сила упругости — вид силы, возникающей внутри тела при его упругой деформации, величина которой находится в прямой пропорциональной зависимости от абсолютного значения разницы начальной и конечной длины. Силой трения называют силу, которая возникает при движении одного тела по поверхности другого. Она всегда направлена противоположно направлению движения. Сила трения прямо пропорциональна силе нормального давления на трущиеся поверхности и зависит от свойств этих поверхностей. Закон всемирного тяготения гласит: два любых тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной массе каждого из них и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними где F — модуль вектора силы гравитационного притяжения между телами массами m 1 и m 2, г — расстояние между телами (их центрами); G — коэффициент, который называется гравитационной постоянной.  10 Кинетическая энергия. Работа. Мощность. Консервативные силы и системы. Кинети́ческая эне́ргия — скалярная функция, являющаяся мерой движения материальных точек, образующих рассматриваемую механическую систему, и зависящая только от масс и модулей скоростей этих точек.   Мо́щность — скалярная физическая величина, характеризующая мгновенную скорость передачи энергии от одной физической системы к другой в процессе её использования.  Консервати́вные си́лы — это силы, работа которых не зависит от вида траектории, точки приложения этих сил и закона их движения, и определяется только начальным и конечным положением этой точки.  11 Потенциальная энергия тела. Связь между потенциальной энергией и силой. потенциальная энергия — это величина, зависящая от положения тел, изменение которой при переходе системы из начального состояния в конечное равно работе внутренних консервативных сил системы, взятой с противоположным знаком. Например, при падении мяча, его высота над поверхностью Земли уменьшается, а, значит, уменьшается потенциальная энергия.   12 Закон сохранения механической энергии. Упругий и неупругий удар. Закон сохранения механической энергии выполняется только при упругом ударе. При неупругом ударе часть механической энергии переходит во внутреннюю (тепловую) энергию. Абсолютно неупругим ударом называют такое ударное взаимодействие, при котором тела соединяются (слипаются) друг с другом и движутся дальше как одно тело. Абсолютно упругим ударом называется столкновение, при котором сохраняется механическая энергия системы тел. 13 Динамика вращательного движения твердого тела. Момент инерции. При поступательном движении динамика твердого тела сводится к динамике одной точки, в качестве которой берут центр масс. Центром масс системы называется точка, положение которой задается радиус-вектором, определяемым следующим образом. Вращательное это такое движение, при котором все точки тела движутся по окружностям, центры которых лежат на одной и той же прямой, называемой осью вращения.  Моме́нт ине́рции — скалярная физическая величина, мера инертности во вращательном движении вокруг оси, подобно тому, как масса тела является мерой его инертности в поступательном движении. Характеризуется распределением масс в теле: момент инерции равен сумме произведений элементарных масс на квадрат их расстояний до базового множества   14 Момент импульса твердого тела. Теорема Штейнера Моме́нт и́мпульса — физическая величина, характеризующая количество вращательного движения и зависящая от того, сколько массы вращается, как она распределена в пространстве и с какой угловой скоростью происходит вращение. Теорема Штейнера — момент инерции относительно произвольной оси равен сумме момента инерции относительно оси, параллельной данной и проходящей через центр масс тела, и произведения массы тела на квадрат расстояния между осями.  15 Законы сохранения вращательного движения. Кинетическая энергия вращательного движения.   16 Основной закон динамики вращательного движения. Закон сохранения момента импульса. Основной закон динамики вращательного движения- Производная по времени от момента количества движения механической системы относительно неподвижной инерциальной системы отсчёта точки или центра инерции системы равна главному моменту относительно той же точки всех внешних сил, приложенных к системе.  Зако́н сохране́ния моме́нта и́мпульса — один из фундаментальных законов сохранения. Математически выражается через векторную сумму всех моментов импульса относительно выбранной оси для замкнутой системы тел, которая остается постоянной, пока на систему не воздействуют моменты внешних сил. Закон сохранения момента импульса-, в замкнутой системе момент импульса вращающегося тела не изменяется с течением времени. Если система тел не замкнута, этот закон справедлив, когда суммарный момент внешних сил, действующих на систему, равен 0  17 Давление жидкости. Закон Архимеда. Гидродинамика жидкости. Уравнение Бернулли. Число Рейнольдса. Основные физические величины.  Один из законов статики жидкостей и газов : на тело, погружённое в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, равная весу объёма жидкости или газа, вытесненного частью тела, погружённой в жидкость или газ. Гидродинамика - Раздел физики сплошных сред и гидроаэродинамики, изучающий движение идеальных и реальных жидкостей и газа и их силовое взаимодействие с твёрдыми телами. Как и в других разделах физики сплошных сред, прежде всего осуществляется переход от реальной среды, состоящей из большого числа отдельных атомов или молекул, к абстрактной сплошной среде, для которой и записываются уравнения движения.  Число Рейнольдса  18 Специальная теория относительности Эйнштейна. Следствия из преобразований Лоренца. Энергия и импульс. Специа́льная тео́рия относи́тельности (СТО; также ча́стная тео́рия относи́тельности) — теория, описывающая движение, законы механики и пространственно-временные отношения при произвольных скоростях движения, меньших скорости света в вакууме, в том числе близких к скорости света. Следствия из преобразований Лоренца1. 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:  2. Если в одной системе отсчета между двумя событиями, происходящими в одной и той же точке, проходит время t, то в другой системе отсчета между этими же событиями проходит время  Это соотношение выражает релятивистский эффект замедления времени в движущихся объектах. 3. 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  Этот эффект называется релятивистским сокращением продольных размеров тела. Поперечные размеры тела не изменяются при переходе в другие инерциальные системы отсчета. 4. Если в одной системе отсчета тело имеет скорость v = (vx, vy, vz), то его скорость v' = (v'x, v'y, v'z) в другой системе отсчета равна  или в трехмерной векторной форме  5. Из соотношений (n4), (n5) следует постоянство скорости c в различных системах отсчета. Действительно, если вычислить сумму квадратов левых частей этих равенств при условии v2=(vx)2+(vy) 2+(vz) 2=c2, (n6) получим v'2=(v'x)2+ (v'y)2+(v'z) 2=c2. (n7) Т. е. скорость c одинакова по величине во всех инерциальных системах отсчета (независимо от направления). Заметим, что направления скоростей v и v' в общем случае различны в разных системах отсчета. Эне́ргия — скалярная физическая величина, являющаяся единой мерой различных форм движения и взаимодействия материи, мерой перехода движения материи из одних форм в другие. И́мпульс — векторная физическая величина, являющаяся мерой механического движения тела.  19 Неинерциальные системы отсчета. Примеры. Неинерциальные силы. Законы Ньютона выполняются только в инерциальных системах отсчета. Системы отсчета, которые движутся относительно инерциальной системы с ускорением, называются неинерциальными (НеИСО). В них законы Ньютона в обычном виде применять нельзя, требуется введение специальных поправок — сил инерции. Примером неинерциальной системы отсчета является геоцентрическая система отсчета (жёстко связанная с Землёй) вследствие суточного вращения Земли. Однако максимальное ускорение точек поверхности Земли не превышает 0,5 %g, поэтому в большинстве практических задач геоцентрическую систему отсчета считают инерциальной. Неинерциальные силы Силы инерции при ускоренном поступательном движении системы отсчета. Силы инерции, которые действуют на тело, покоящееся во вращающейся системе отсчета. 20 НИСО. Сила Кориолиса. Неинерциа́льная систе́ма отсчёта(НИСО) — система отсчёта, движущаяся с ускорением относительно инерциальной. Си́ла Кориоли́са — одна из сил инерции, использующаяся при рассмотрении движения материальной точки относительно вращающейся системы отсчёта.  21 Идеальный газ. МКТ идеального газа. Основные понятия и определения. 22 Давление. Основное уравнение МКТ. Температура. 23 Законы идеальных газов. Изопроцессы. 24 Уравнение Менделеева-Клайперона. Закон Дальтона. 25 Скорость молекул газа. Опыт Штерна. 26 Статистический метод описания параметров идеального газа. Функция распределения Максвелла. 27 Распределение Больцмана. Барометрическая формула. 28 Эффективный диаметр молекул. Число столкновений и средняя длина свободного пробега молекул. 29 Явления переноса. Диффузия, теплопроводность, вязкость. Коэффициенты переноса. 30 Работа идеального газа. Внутренняя энергия. Первое начало термодинамики. 31 Первое начало термодинамики применительно к изопроцессам. 32 Теплоемкость газов. 33 Тепловой двигатель. Круговые процессы. 34 Цикл Карно, коэффициент полезного действия цикла Карно. 35 Энтропия. Изменение энтропии. 36 Второе начало Термодинамики. Формулировки Клаузиуса и Кельвина. Свободная энергия. 37 Статистический смысл энтропии. Третье начало термодинамики 38 Реальные газы. Уравнение Ван –Дер- Ваальса. 39 Изотермы реального газа. Анализ изотерм. 40 Поверхностное натяжение жидкостей |