Размерность физических величин.
Механика,
Электричество и магнетизм
Часть I
Курс лекций
для студентов, обучающихся по специальностям
011500 «Геология и геохимия горючих ископаемых»
012500 «География»
020802 «Природопользование»
Издательский дом «Астраханский университет»
2011
ББК
Рецензент(ы): Заведующая кафедры естественнонаучных дисциплин АИСИ, к.т.н. Евсина Елена Михайловна, доцент кафедры общей физики АГУ, к.п.н. Алыкова Ольга Михайловна
Курс лекций «Механика, электричество и магнетизм» / сост. С.А.Тишкова, А.М. Лихтер – Астрахань: Издательский дом «Астраханский университет», 2011. – 114 с.
Пособие содержит лекции по курсу общей физики для студентов, обучающихся на геолого-географическом факультете университетов. В первой части представлены лекции по механике, электричеству и магнетизму, перечень вопросов для самостоятельной работы студентов и коллоквиумов. Пособие рекомендуется как дополнение к основному учебнику по курсу общей физики.
© С.А.Тишкова, А.М. Лихтер,
сост., 2011
Содержание
Предисловие………………………………………………….. 4
Лекция № 1…………………………………………………… 5
Лекция № 2…………………………………………………… 10
Лекция № 3…………………………………………………… 15
Лекция № 4…………………………………………………… 21
Лекция № 5…………………………………………………… 27
Лекция № 6…………………………………………………… 35
Лекция № 7…………………………………………………… 45
Лекция № 8…………………………………………………… 51
Лекция № 9…………………………………………………… 54
Лекция № 10………………………………………………….. 60
Лекция № 11………………………………………………….. 68
Лекция № 12………………………………………………….. 74
Лекция № 13………………………………………………….. 79
Лекция № 14………………………………………………….. 86
Лекция № 15………………………………………………….. 92
Лекция № 16………………………………………………….. 97
Лекция № 17………………………………………………….. 104
Лекция № 18………………………………………………….. 108
Вопросы коллоквиумов……………………………………… 112
Литература……………………………………………………. 114
Предисловие
Данный курс лекций разработан для студентов геолого-географического факультета университетов. Курс общей физики для нефизических специальностей вузов должен быть не только фундаментальным, но и носить профильный характер. Профилизация при этом заключается в иллюстрациях применения физики в геологии, географии. Сочетание фундаментализации и профилизации в рамках ограниченности лекционных часов – одна из особенностей данного курса. С целью приближения «теоретической» науки к повседневной жизни в курсе даны примеры, которые могут вызвать особый интерес молодого читателя.
Общий курс физики должен обеспечить будущему специалисту основу его теоретической подготовки, позволяющей ориентироваться в современной научной и технической информации.
Курс лекций составлен в соответствии с государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования и требованиями к минимальному содержанию и уровню подготовки выпускников по специальностям: 011500 – «Геология и геохимия горючих ископаемых», квалификация «геолог-нефтяник»; 012500 «География», квалификация «географ»; 020802 «Природопользование», квалификация «Эколог-природопользователь».
Содержание данного курса в соответствии со стандартом: Физические основы механики; электричество и магнетизм; физика колебаний и волн; квантовая физика; статистическая физика и термодинамика.
Структура курса общей физики:
1 семестр. Физические основы механики. Электричество и магнетизм.
2 семестр. Физика колебаний и волн. Квантовая физика. Статистическая физика и термодинамика.
ЛЕКЦИЯ № 1
Физические основы механики. Важнейшие этапы истории физики. Физические модели.
Введение в курс.
Физика относится к точным наукам, изучает количественные закономерности явлений, ее законы лежат в основе всего естествознания. Она представляет собой основную науку об окружающем нас мире, так как имеет дело с такими свойствами мира, как время, пространство, материя, движение, электричество, свет и излучения.
То, что мы сейчас понимаем под словом «физика», сформировалось как наука совсем недавно, около 200 лет тому назад. До этого все ученые назывались «естествоиспытателями», а в древние времена просто «философами».
По-гречески «фило» — значит «любить», а «софия» — мудрость. Поэтому философами называли людей, любивших мыслить. Конечно, человек всегда задумывался над тем, как произошел мир, что лежит «в основе вещей», почему планеты движутся по небосклону, камень скатывается с горы в ущелье и т. п. Инстинктивно наши предки обобщали свои наблюдения над окружающим миром, пытаясь предсказать заранее, когда наступит засуха, произойдет затмение Солнца или наводнение.
Сегодня под естественными науками мы понимаем те области знания, в которых может быть проведен эксперимент, т. е. проверка тех гипотез, моделей, которые следуют из вновь выдвинутых или хорошо известных теорий. Тем самым естественные науки существенно расширили свою методологию по сравнению с философией, превратившись из чисто созерцательных в экспериментальные.
Физика — одна из естественнонаучных дисциплин, которая тесно переплетена со многими другими дисциплинами. Не всегда легко провести грань между собственно физикой и механикой, между атомной физикой и химией; существуют также и пограничные науки (например, геофизика, биофизика, химическая физика), активно использующие физические знания для решения задач другой области либо технических приложений. Впрочем, одну отличительную черту физики можно указать точно: физика — это наука об основополагающих закономерностях, определяющих процессы и явления в природе. Ее основная задача — выявлять фундаментальные черты нашего мира, предоставляя другим наукам основы знаний, открывая новые возможности инженерных решений, прорыв в новые технологии. Физика тесно связана с развитием нашего понимания природы, фактически она определяет современное естественнонаучное мировоззрение.
Помимо физиков-профессионалов, с физикой соприкасаются, так или иначе, специалисты самых различных профессий. Химик, использующий эффект Мессбауэра, биолог, изучающей строение вируса с помощью электронного микроскопа, археолог, применяющий метод радиоактивного датирования для определения возраста найденных им предметов быта древнего человека, металлург, определяющий по спектру излучения температуру расплавленного металла, инженер, проектирующий современные здания либо бытовую технику, — все они, быть может, непосредственно не ощущают необходимость понять, что такое волновая функция электрона или энтропия, но их работа базируется на достижениях естественных наук, и прежде всего физики. Поэтому физика является неотъемлемой частью профессионального образования в большинстве областей человеческой деятельности.
Физика подразделяется на экспериментальную, в основе которой лежит эксперимент, и теоретическую, цель которой состоит в формулировке законов природы, объяснении конкретных явлений и опытов, предсказаний новых явлений.
В соответствии с этим ученые, создающие установки и проводящие на них различные эксперименты называются физиками-экспериментаторами, а ученые более искусные в применении математики к решению физических задач – физиками-теоретиками. В.Франклин, М. Ломоносов, М. и П. Кюри, А. Ампер были физиками-экспериментаторами; И. Ньютон, А. Эйнштейн, Д. Максвелл – принадлежат к числу важнейших физиков-теоретиков. Многие законы физики представляют собой количественные соотношения и формулируются на математическом языке. Установление количественных законов, показывающих, как изменяется одна величина при изменении других – и есть важнейшая задача экспериментального исследования явлений. Такие законы с одной стороны указывают пути протекания явлений, а с другой, помогают создать их теорию и установить связь с другими явлениями.
В связи с многообразием форм движения материи, физика по видам ее движения подразделяется на механику, термодинамику и статистическую физику, электромагнетизм (включая оптику), квантовую физику, физику атома и ядра. Особо выделяют в физике учение о колебаниях и волнах, что обусловлено общностью закономерностей колебательных процессов различных явлений природы и методов их исследования. Механические, акустические, электрические и оптические колебания и волны рассматриваются с единой точки зрения. Закономерным этапом в развитии физики на сегодняшний день можно считать создание квантовой теории поля, которая распространяет квантовые принципы на системы с бесконечным числом степеней свободы.
Физики изучают явления, происходящие в неживой природе. На основе опытов и размышлений создаются модели явлений. Выдающиеся физики подчеркивали необходимость моделирования при построении физических теорий. Все они под моделью понимали либо конкретный образ изучаемого объекта, в котором отображаются реальные или предполагаемые его свойства, либо другой объект, реально существующий наряду с изучаемым и сходный с ним в отношении некоторых определенных свойств или структурных особенностей.
Модель – это объект, который воспроизводит явление, процесс или систему с целью их исследования или изучения. Различают математические и физические модели. Математические модели представляют собой идеализацию реальных объектов (материальная точка, абсолютно твердое тело, точечный источник света, идеальный газ и т.д.). Физические модели представляют собой уменьшенные копии, с сохранением всех свойств объекта (модель двигателя внутреннего сгорания, крыла самолета и т.д.).
Какие понятия изучает физика: понятие о физическом явлении (ФЯ), величинах (ФВ). Изучает физические законы (ФЗ), объекты, теории.
ФЯ – это изменение состояния объекта под воздействием другого объекта при определенных условиях. Примеры: движение, диффузия, поляризация волн, парообразование.
ФВ – количественная характеристика определенной стороны ФЯ или свойства объектов реальной действительности, одинакового у разных тел, имеющая обозначение и наименование.
ФЗ – выражают зависимость одних величин от других.
К физическим объектам можно отнести электромагнитное поле, волны, молекулы, разнообразные технические устройства.
Физика, как наука, начала развиваться с 16 века. К концу 19 века полностью сформировалась классическая физика. Во второй половине 19 века была создана теория электромагнитного поля, открыты электромагнитные волны. В начале 20 века создается теория относительности, развивается физика полупроводников, учение о квантах.
Размерность физических величин.
Численное значение физических величин (длины, скорости, электрического заряда и т.д.) определяется сравнением ее с некоторым эталоном, принятым за единицу. Выбор эталона произволен. В физике поступают следующим образом: произвольно устанавливают несколько единиц измерения, а единицы измерения находят как производные основных единиц из формул физических законов.
Совокупность основных и производных единиц называется системой единиц.
Каждая физическая величина должна иметь размерность.
Размерность величины – символическое (буквенное) выражение производных единиц измерений через основные.
Пример: формулы размерности
скорость: [V] = [S/t] = [L/T] = LT-1;
ускорение: [a] = [V/t] = [LT-1/ T] = LT-2;
сила: [F] = [m·a] = M·LT-2, где
V – скорость; S – путь;
t – время; a – ускорение;
F – сила; m – масса – измеряемые физические величины;
L, T, M – основные единицы измерения для расстояния, времени и массы (соответственно).
Знание размерности величины позволяет не только установить единицу ее измерения, но и найти численные множители при переходе к новой системе единиц.
Единой системой единиц измерения является система СИ (система интернациональна). Она, как и любая система единиц координат состоит из трех разделов.
Система единиц измерения СИ:
1. Основные единицы (м, кг, с, К, А, кд, моль)
Метр – длина пути, проходимого светом в вакууме за время, равное 1/299 792 458 с.
Килограмм – масса, равная массе платиноиридиевого цилиндра, хранящегося в палате мер и весов близ Парижа.
Секунда – за эталон времени принят сейчас период колебаний электромагнитного поля, испускаемого атомами химического элемента цезия при определенном изменении их внутренней энергии. В течение одной секунды совершается 9 192 631 770 вышеуказанных эталонных колебаний.
В течение многих столетий использовались хорошо известные песочные часы. Как любопытный исторический факт, можно отметить, что Галилей при изучении законов движения тел использовал в качестве часов биение собственного пульса. Поскольку развитие науки и практические нужды общества потребовали единого эталона времени, по которому можно было бы сверять ход любых часов, то до недавнего времени таковым являлся период обращения Земли вокруг своей оси. Точнее, за эталонную единицу времени, называемую секундой, принималась 1/86 400 часть средних суток. Однако сейчас физики научились использовать периодические процессы, которые происходят в микромире и которые могут служить гораздо более точными эталонами времени, чем средний период вращения Земли вокруг своей оси.
Ампер – сила постоянного тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и малого сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м друг от друга, создает между этими проводниками силу, равную 2·10-7 Н на каждый метр.
Кельвин – 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды.
Кандела – сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540·1012 Гц.
Моль – количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько атомов содержится в изотопе углерода массой 0,012 кг.
2. Дополнительные (угловые единицы – рад, ср)
Радиан – угол между двумя радиусами окружности, длина дуги между которыми равна радиусу (570).
Стерадиан – телесный угол с вершиной в центре сферы, вырезающий на поверхности сферы площадь, равную площади квадрата со стороной, равной радиусу сферы.
3. Производные – их тысячи.
Основное правило перевода внесистемных единиц в системную – переводится только единица измерения, а численных коэффициент при ней остается без изменений, например:
12,3 км= 12,3·(103 м) = 12,3·103 м
15 мин= 15·(60 с) = 900 с = 9,0·102с
7,8 г/см3= 7,8·{10-3 кг/(10-2 м)3} = 7,8·(10-3 кг/10-6 м3) = 7,8·103 кг/м3
5,8 км/час= 5,8·(103 м/3600 с) » 5,8·0,2778 м/с» 1,6 м/с
Механика.
Механика может рассматриваться как наиболее фундаментальная естественная наука. С нее обычно и начинается изучение всего курса общей физики. Предметом механики являются законы движения и равновесия тел при известном и/или заданном взаимодействии между ними.
Механика – раздел физики, изучающий простейшую форму движения материи – механическое движение.
Механическим движением называется процесс изменения взаимного расположения тел или их частей в пространстве с течением времени.
Механика делится на три раздела: кинематику, динамику и статику.
Кинематика изучает закономерности различных типов движения без учета причин, его вызывающих.
Динамика изучает влияние взаимодействия тел с окружающими телами на их механическое движение.
Статика – рассматриваются условия равновесия тел, т.е. покоя в данной системе отсчета.
Существует классическая, релятивистская и квантовая механика.
Классическая механика изучает движение макроскопических тел со скоростями, много меньшими скорости света в вакууме (v<<c, c=3·108м/c). Для v<<c характерно, что линейные масштабы и промежутки времени остаются неизменными при переходе от одной системы отсчета к другой, т.е. не зависят от выбора системы отсчета к другой.
Релятивистская механика (или теория относительности) изучает движение тел со скоростями, соизмеримыми со скоростью света в вакууме.
Квантовая механика изучает движение микрочастиц (отдельные атомы, элементарные частицы). Изучение нашего курса начнем с классической механики.
Таким образом, можно сказать, что механика ставит перед собой две основные задачи:
1) Изучение различных движений и обобщение полученных результатов в виде законов движения – законов, с помощью которых может быть предсказан характер движения в каждом конкретном случае. Результат решения: установление динамических законов Ньютона и Эйнштейна.
2) Отыскание общих свойств, присущих любой системе, независимо от конкретного рода взаимодействий между телами отсчета. Результат решения: установление законов сохранения энергии, импульса и момента импульса.
Вопросы для самоподготовки
1. Что изучает физика.
2. Основные понятия в физики.
3. Размерность и единицы физических величин.
4. Механика. Основные разделы и задачи.
Лекция № 2