курс физики. Физика

• Название: Физика
• Дата: 22.04.2022
• Размер: 3.17 Mb.
• Имя файла: курс физики.pptx
• Тип: Закон; #490594

ФИЗИКА

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.

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.

Механика

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.

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.

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 данном курсе отдельно не изучается.

Разделы механики

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.

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.

Поступательное движение

Поступательное 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.

Вращательное движение

Поступательное движение

Поступательное движение

• Путь – это длина траектории.
• Перемещение – это вектор, равный разности радиус-векторов точки для двух разных моментов времени

• Угол поворота – это угол, на который поворачивается радиус за время движения.

Вращательное движение

Поступательное движение

Поступательное движение

Скорость

• Средней скоростью

за конечный промежуток времени называется отношение совершенного перемещения к этому промежутку времени

• Мгновенная скорость – это первая производная радиус-вектора точки по времени

Угловая скорость -

это векторная величина, равная первой производной угла поворота по времени

Вращательное движение

Вектор угловой скорости направлен вдоль оси вращения тела.

Поступательное движение

Поступательное движение

• Вектор мгновенной скорости направлен по касательной к траектории.
• Модуль мгновенной скорости
• Проекции вектора скорости на оси координат

Для равномерного вращательного движения

• Период – это время одного полного оборота.
• Частота – это число оборотов за единицу времени:
• Циклическая частота (или угловая скорость) – это число оборотов за 2p секунд

Вращательное движение

Поступательное движение

Поступательное движение

• Если известна зависимость v(t) то, проинтегрировав это выражение по времени, получим величину пути:

• Если известна зависимость w(t) то, проинтегрировав это выражение по времени, получим величину угла поворота:

Вращательное движение

Поступательное движение

Поступательное движение

• Ускорение - это первая производная скорости по времени или вторая производная радиус-вектора по времени

• Угловое ускорение - это первая производная угловой скорости по времени или вторая производная угла поворота по времени

Вращательное движение

Поступательное движение

Поступательное движение

• Тангенциальное ускорение характеризует изменение модуля скорости
• Нормальное ускорение характеризует изменение направления вектора скорости
• Векторы и коллинеарны.
• Вектор направлен к центру кривизны траектории.

Вращательное движение

Связь между линейными и угловыми величинами

( j в радианах )

Динамика

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

Основная задача динамики -

по заданным начальным значениям координат и импульса тела и действующим на него силам рассчитать координаты и импульс тела для любого другого момента времени.

В классической механике состояние системы определяется совокупностью значений координат и импульсов тел системы.

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.

О

Сила - вектор, характеризующий степень воздействия на тело других тел.

Равнодействующая сила:

[F ] = Н

[MZ ] = Нм

Моментом силы

относительно оси Z называется скалярная величина MZ , равная произведению проекции силы на плоскость, перпендикулярную оси вращения, на плечо этой силы относительно данной оси:

• Плечом силы относительно оси называется расстояние между линией действия силы и данной осью.
• Результирующий момент силы:

• Точка пересечения линий действия сил, вызывающих поступательное движение тела, называется центром инерции данного тела.

Масса – мера инертности тела в поступательном движении.



Инертностью называется свойство тел сохранять состояние покоя или прямолинейного и равномерного движения.



Масса – величина аддитивная:

[ m ] = кг

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:

Момент инерции – величина аддитивная:

[ J ] = кгм2

Импульс материальной точки равен произведению массы точки на ее скорость:

Момент импульса материальной точки равен произведению модуля импульса

на расстояние от точки до оси:

Или

Момент импульса материальной точки равен произведению момента инерции на угловую скорость точки:

[ p ] = кгм/с

[ L ] = кгм2/с

• 1687 год

Первый закон Ньютона

Тело покоится или движется прямолинейно и равномерно, пока другое тело не изменит это состояние:



пока



Тело вращается равномерно или покоится, пока результирующий момент сил, действующих на тело относительно оси вращения, равен нулю:



пока

Второй закон Ньютона:

ускорение тела прямо

пропорционально

равнодействующей силе и

обратно пропорционально

массе тела:

Основное уравнение динамики поступательного движения:

скорость изменения импульса тела равна равнодействующей сил, действующих на тело.

Основное уравнение динамики вращательного движения:

суммарный момент внешних сил равен произведению момента инерции на угловое ускорение тела.

скорость изменения момента импульса равна результирующему моменту силы, действующему на тело.

равнодействующая внешних сил равна произведению массы на ускорение тела.

Третий закон Ньютона:

силы взаимодействия двух тел

равны по модулю,

противоположны по направлению

и действуют вдоль прямой,

соединяющей эти тела:

Силы взаимодействия имеют

одинаковую природу,

появляются и исчезают

одновременно.

Закон сохранения импульса

суммарный импульс тел замкнутой системы не изменяется с течением времени:

Закон сохранения импульса является проявлением свойства однородности пространства.

Закон сохранения момента импульса

суммарный момент импульса тел замкнутой системы не изменяется с течением времени:

Закон сохранения момента импульса является проявлением свойства изотропности пространства.

Закон сохранения импульса

суммарный импульс тел замкнутой системы не изменяется с течением времени:

Закон сохранения импульса является проявлением свойства однородности пространства.

Закон сохранения момента импульса

суммарный момент импульса тел замкнутой системы не изменяется с течением времени:

Закон сохранения момента импульса является проявлением свойства изотропности пространства.

Работа

является количественной мерой превращения одних форм движения материи в другие.

dr = dS - путь точки приложения силы за малый промежуток времени dt;

 - угол между векторами и

Элементарная работа момента силы:

d - угол поворота за малый промежуток времени dt;

Элементарная работа силы:

[A] = Нм = Дж

А = 0, если dr = 0 или a = p/2

dA > 0, если 0  a < p/2

dA < 0, если p/2 < a  p

Мощность –

это работа, совершенная

силой за единицу времени:

[P] = Дж/с = Вт

Энергия

• это количественная мера

различных форм движения материи

и взаимодействий.

Работа, совершенная системой,

равна убыли энергии системы:

А = – Е

[Е] = [A] = Дж

Кинетическая энергия –

это энергия движения.

Конкретный вид функции Ек(v) зависит от вида механического движения.

Опыт с палитрой

Изменение кинетической энергии тела равно работе равнодействующей силы.

Кинетическая энергия

материальной точки

mi –масса материальной точки;

vi –её скорость.

Кинетическая энергия тела

m – масса тела;

v – скорость его центра инерции.

Кинетическая энергия

материальной точки

Ji - момент инерции материальной точки;

i – её угловая скорость.

Кинетическая энергия тела

J – момент инерции тела.

При поступательно-вращательном

движении:

Потенциальная энергия –

это энергия взаимодействия тел системы.

Конкретный вид функции Ер(r) зависит от характера силового поля.

Гравитационное взаимодействие

Ep = mgh

Упругое взаимодействие

Закон сохранения механической энергии

Механическая энергия замкнутой системы,

в которой действуют только консервативные силы, не изменяется с течением времени.

Работа консервативных сил по любой замкнутой траектории равна нулю.

ЭЛЕМЕНТЫ РЕЛЯТИВИСТСКОЙ МЕХАНИКИ

- механики высоких скоростей.

Принцип относительности Галилея

Система отсчета К  движется относительно К со скоростью

Преобразования Галилея.

Все законы механики одинаковы для всех ИСО.

Никакими опытами по механике невозможно определить,

движется ли данная инерциальная система отсчета или покоится.

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.

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).

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.

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.

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

То есть одновременность событий оказывается зависит от выбора системы отсчета.

Одновременность событий относительно разных ИСО нарушается.

длительность события наименьшая относительно той системы отсчета, в которой точка, где происходит событие, неподвижна.

  Если в одной системе отсчета длительность события равна  = t2 – t1, то в другой системе отсчета длительность этого же события  ' = t2' – t1'

Это соотношение выражает релятивистский эффект замедления времени:

Длина отрезка уменьшается в направлении движения в системе отсчета, относительно которой отрезок движется.

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.

Релятивистский закон сложения скоростей

 Если в одной системе отсчета тело имеет скорость v'x, то его скорость vx в другой системе отсчета

Если v << c и u << c , то получим классический закон сложения скоростей.

Если v' = c, то , что не противоречит постулату СТО.

Инвариантом является интервал

где t - промежуток времени между двумя событиями;

- расстояние между двумя точками, в которых произошли эти события.

Инвариантность интервала отражает органическую связь между пространством и временем, как единую форму существования материи.

Основной закон релятивистской динамики

По определению импульс тела . Поэтому основное уравнение динамики поступательного движения можно записать в виде:

Решая это уравнение для случая v = 0 при t = 0 и ,

получаем

То есть скорость может быть сколь угодно большой.

Например, если а = 10 м/с2, то скорость достигнет скорости света приблизительно через год.

Для больших скоростей следует уточнить определение импульса, дополнив выражение для него множителем, который обращался бы в единицу при малых скоростях:

Основной закон релятивисткой динамки

Вместо получим

Энергия релятивистской частицы

Из определением интервала и релятивистского импульса, можно получить:

- полная энергия движущегося тела;

- энергия покоя, т.е. энергия тела относительно ИСО, в которой оно покоится.

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:

Каждое изменение энергии покоя тела неизбежно сопровождается пропорциональным изменением его энергии.

• При ядерных реакциях синтеза выделяется энергия

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.

Разность между полной энергий тела и его энергией покоя называется кинетической энергий тела:

Это выражение справедливо для любых скоростей.

Если v << c, то это выражение переходит в привычное

.

Спасибо за внимание!