1. Тема 3. Общие физические модели. Законы Ньютона Салима Адер salima.ader@gmail.com

2. 3.1.1. Физические объекты, явления и величины. Физическая величина как модель. Физический язык, используемые в нём сокращения В том, что существуют материальные объекты, человек убеждается с помощью своих органов чувств: например, он видит и осязает ручку, которой пишет, видит и слышит другого человека. Явлением называют любое изменение материи. При изучении свойств материи и её изменений вводятся физические величины, которые можно измерять и выражать числами. Физическую величину можно рассматривать как мысленную модель свойства. Более конкретно — как количественное выражение свойства или как количественное знание о свойстве.

3. Введение физических величин открывает возможности для экспериментальных исследова­ний взаимных связей между ними, точного количественного описания природных процессов и явлений, открытия законов природы.

4. Результаты любого экспериментального исследования в физике могут быть представлены в понятном для других физиков виде только на языке физики — с представлением результатов измерений физических величин. Физика проникла в такие области действительности, где для изучаемых ею объектов уже нельзя подобрать соответствующие наглядные образы, которые всегда связаны с миром повседневного опыта. Поэтому основным языком здесь является язык математики. Физик может довольствоваться тем, что обладает математической схемой и знает, как можно её применять для истолкования своих опытов. Но ведь он должен сообщить о своих результатах и нефизикам, которые не будут удовлетворены до тех пор, пока им не будет дано объяснение на обычном языке, понятном каждому. Для физика возможность описания на обычном языке считается критерием того, какая степень понимания достигнута в соответствующей области.

5. 3.1.1. Скаляры и векторы В курсе физике часто встречаются такие величины, для описания которых достаточно знать только числовые значения. Например, масса, время, длина. Величины, которые характеризуются только числовым значением, называются скалярными или скалярами. Кроме скалярных величин, используются величины, которые имеют и числовое значение и направление. Например, скорость, ускорение, сила. Величины, которые характеризуются числовым значением и направлением, называются векторными или векторами. Обозначаются векторные величины соответствующими буквами со стрелкой наверху.

6. Изображение вектораВекторы изображают направленными отрезками. Началом вектора называют ту точку, откуда начинается направленный отрезок (точка А на рис. 1), концом вектора – точку, в которой заканчивается стрелка (точка B на рис. 1).

7. Два вектора называются равными, если они имеют одинаковую длину и направлены в одну сторону. Такие вектора изображают направленными отрезками, имеющими одинаковые длины и направления.

8. 1

9. 1

10. 3.2.1. Действия с векторами

11. 3.2.2. Сравнение физики с математикой Наблюдаемые нами явления и физические свойства тел возникают вследствие взаимодействия между телами либо между частицами — атомами и молекулами, из которых состоят материальные тела. В результате этих взаимодействий соответствующие физические величины не остаются постоянными, а испытывают всевозможные изменения. Эти изменения могут происходить как непрерывно, так и скачками, как по величине, так и по направлению. При наблюдении изменений физических величин возникает необходимость в их количественной и качественной оценке. Для этой цели физика использует математические методы. В отличие от математика, который любит придавать своим рассуждениям наиболее общую форму, физик интересуется в большей степени конкретными вещами.

12. 3.3.1. Тела, их размеры и движение Любое физическое явление или процесс в окружающем нас материальном мире представляет собой закономерный ряд изменений, происходящих во времени и пространстве. Механическое движение, то есть изменение положения данного тела (или его частей) относительно других тел, — это простейший вид физического процесса. Что такое изменение? С одной стороны, изменение — это процесс смены одного значения физической величины другим его значением. Но, с другой стороны, изменение физической величины — это тоже физическая величина. Изменение любой величины — разность её конечного и начального значений. Изменение координат при движении материальной точки может быть как положительным, так и отрицательным.

13. Тело в механике — это вещественный объект, обладающий формой и отделённый от других материальных объектов (полей, сплошных сред, других тел) границей раздела. Тело с течением времени может изменять своё пространственное положение, размеры и форму. Для полного описания этих изменений необходимо знать изменение положения каждой его точки, что практически невозможно. Для упрощения задачи в физике используют специальный приём, суть которого состоит в замене реального тела упрощенной моделью. К таким моделям в механике, в частности, относятся абсолютно твёрдое тело и материальная точка. Абсолютно твёрдым телом называется такое тело, деформациями которого в данной задаче можно пренебречь. Положение абсолютно твёрдого тела в пространстве может быть однозначно определено тремя координатами одной, произвольно выбранной, точки тела.

14. Материальная точка — это модель физического тела, размерами которого, в условиях рассматриваемой задачи, можно пренебречь. В отличие от геометрической точки, в материальной точке сосредоточено всё вещество тела. Механическим движением называется изменение положения тела в пространстве относительно других тел с течением времени. Система координат, связанная с телом отсчёта, и часы для отсчёта времени образуют систему отсчёта, позволяющую определять положение движущегося тела в любой момент времени.

15. Траекторией называется линия, которую описывает при своём движении материальная точка. Путь — это длина траектории, которую описывает материальная точка за данный промежуток времени.

16. 3.3.2. Происхождение физических величин длинаи время из представлений наблюдателя. Измерение времени. Единицы измерения времени и длины секунда и метр 1 метр (м) — это расстояние, которое проходит свет в вакууме за 1/299792458 долю секунды. Человек как наблюдатель, в отличие от, например, летучей мыши, сам никаких сигналов не посылает, а пользуется внешним источником света. Долгое время эталоном для всех «линеек» служил «парижский» метр — расстояние между двумя штрихами на платиноиридиевом стержне, хранящемся в Международном бюро мер и весов в Париже. Время — мера скорости, с которой происходят какие-либо изменения, т. е. мера скорости развития событий.

17. При установлении основных единиц весьма важной является возможность создания таких эталонов, которые обеспечивали бы постоянство единицы и возможность её воспроизведения, а также восстановление эталона в случае его утраты. Самый надёжный способ решения этой задачи — поручить «хранение» эталонов самой природе. Так, принятый в настоящее время эталон времени основывается на периоде колебаний, происходящих в атоме изотопа цезия-133 при его переходе между двумя определёнными энергетическими подуровнями основного состояния. По определению единица времени — секунда — содержит 9 192 631 770 периодов таких колебаний. Такое странное на первый взгляд число периодов в современном определении единицы времени связано с необходимостью обеспечить преемственность со старым эталоном секунды, основанном на суточном вращении Земли.

18. 3.4.1. Скорость

19. 3.4.2. Относительность движения Зависимость траектории, пути, перемещения и скорости одной и той же материальной точки от выбора системы отсчёта называют относительностью движения.

20. 3.5. Общие модели движения — течение, вращения, изменение формы, колебания и волны В простейшей модели жидкость (или даже газ) предполагается несжимаемыми и идеальными (т. е. без внутреннего трения между движущимися слоями). При движении идеальной жидкости не происходит превращения механической энергии во внутреннюю, поэтому выполняется закон сохранения механической энергии. Стационарным принято называть такой поток жидкости, в котором не образуются вихри.

21. Вращательное движение. При вращательном движении абсолютно твёрдого тела его точки описывают окружности, расположенные в параллельных плоскостях. Центры всех окружностей лежат при этом на одной прямой, перпендикулярной к плоскостям окружностей и называемой осью вращения. Ось вращения может располагаться внутри тела и за его пределами. Ось вращения в данной системе отсчёта может быть как подвижной, так и неподвижной.

22. Деформация — изменение объёма или формы тела. Деформация (от латинского deformatio — «искажение») — изменение взаимного положения частиц тела, связанное с их перемещением друг относительно друга. Деформация представляет собой результат изменения межатомных расстояний и перегруппировки блоков атомов. Обычно деформация сопровождается изменением величин межатомных сил.

23. Колебательным движением (колебаниями) называют всякий процесс, который обладает свойством повторяемости во времени. При периодическом колебательном движение тело (материальная точка) перемещается вблизи устойчивого положения равновесия, отклоняясь то в одну, то в другую сторону. При этом через любую точку траектории, за исключением крайних, тело проходит как в прямом, так и в обратном направлении. Следовательно, отличительным признаком колебательного движения является его возвратность.

24. Волной называется процесс распространения колебаний в среде.Механические волны бывают разных видов. Если в волне частицы среды испытывают смещение в направлении, перпендикулярном направлению распространения, то волна называется поперечной. Примером волны такого рода могут служить волны, бегущие по натянутому резиновому жгуту (рис. 7 а.) или по струне.

25. Если смещение частиц среды происходит в направлении распространения волны, то волна называется продольной. Волны в упругом стержне (рис. 7 б.) или звуковые волны в газе являются примерами таких волн. Наличие упругой среды — необходимое условие распространениямеханических волн. Продольные волны могут распространяться в любой среде. Поперечные волны в газах и жидкостях не возникают, так как в них отсутствует фиксированное положение частиц.

26. 3.6.1. Взаимодействие как причина изменения состояния движения тел Несмотря на то, что в веществе содержится большое число различных элементарных частиц между ними, существует лишь четыре вида фундаментальных взаимодействий: гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное взаимодействия. Во многих случаях действие одного тела на другое или каких-либо частиц друг на друга мы, в конечном счёте, обнаруживаем, наблюдая перемещение, то есть изменение состояниядвижения какого-либо тела в пространстве. Например, при столкновении одного шара с другим, шар, который прежде находился в покое, переместился в пространстве. Как показывает опыт, никакое следствие не возникает без причины. В частности, причиной перемещения тел являются действия на них других тел.

27. 3.6.2. Открытая и закрытая система Открытая (незамкнутая) система тел — это система тел, взаимодействующих между собой, на которую, кроме того, действуют и какие-то внешние, «посторонние» системе тела, внешние силы. Например, стоящего на льду конькобежца может заставить сдвинуться с места (изменить состояние движения) толчок его друга (внешняя сила). Но если конькобежец будет тянуть одной своей рукой другую, то это не изменит его скорости. Если два или более тел взаимодействуют друг с другом, но на них не действуют внешние силы, то такая группа тел, называется замкнутой: замкнутая система тел — это совокупность тел, взаимодействующих между собой, но не взаимодействующих с другими телами.

28. 3.6.3. Физическая величина сила Сила — это количественная мера взаимодействия тел. Сила является причиной изменения скорости тела. Силой называют действие одного тела на другое, в результате которого возникает ускорение тела или отдельных его частей. Говорят, что к телу приложена сила или на тело действует сила. Причина изменения скорости тела — действие на него другого тела. Поэтому причина ускорения тела — приложенная к нему сила. Сила — векторная физическая величина. Действие силы на тело зависит от её модуля, направления и точки приложения. Эталонная сила в Международной системе единиц называется ньютон (Н). Сила измеряется по растяжению динамометра

29. В механике Ньютона силы могут иметь различную физическую природу: сила трения, сила тяжести, упругая сила и т. д. Сила является векторной величиной. Векторная сумма всех сил, действующих на тело, называется равнодействующей силой.

30. 3.7. III закон Ньютона

31. 3.8. Поле как посредник взаимодействия. Вещество и поле — две основные формы природы. Первичное знакомство с понятием поле на примере электромагнитного поля Закон взаимодействия между электрическими зарядами был установлен экспериментально. Но оставался нерешённым вопрос, как это взаимодействие передаётся на расстояние от одного тела к другому. Теория близкодействия утверждает, что любое взаимодействие осуществляется с помощью промежуточных агентов и распространяется с конечной скоростью. Согласно теории близкодействия взаимодействие между заряженными частицами осуществляется посредством электрического поля. Электростатическое поле — особый вид материи, её источником являются неподвижные относительно рассматриваемой инерциальной системы отсчёта заряды, посредством которой осуществляется их взаимодействие.

32. . С открытием электрического поля впервые за всю историю науки появилась глубокая идея: существуют различные виды материи — вещество и поле — и каждому из них присущи свои законы.

33. 3.9. Изменение состояния движения. Ускорение Взаимодействие тел — это причина изменения скорости их движения, т. е. ускорения. Ускорение тела в данный момент времени определяется положением и движением окружающих тел. Причина ускорения тела — действие на него другого тела.

34. 3.10. II закон Ньютона Сделанные на основе эксперимента выводы можно объединить и установить взаимосвязь между ускорением, силой и массой, и сформулировать второй закон Ньютона: ускорение, с которым движется тело, прямо пропорционально действующей на тело силе и обратно пропорционально его массе. Математической записью второго закона Ньютона является выражение:

35. 3.11. Инертность тела и описывающая её величина — масса. Единицы измерения массы и силы килограмм Чем меньше изменяется скорость тела при взаимодействии с другими телами, тем ближе его движение к равномерному прямолинейному движению по инерции. Такое тело называют более инертным. Свойством инертности обладают все тела. Оно состоит в том, что для изменения скорости тела при взаимодействии его с любыми другими телами требуется некоторое время. Свойство тела, от которого зависит его ускорение при взаимодействии с другими телами, называется инертностью. Количественной мерой инертности тела является масса тела. Масса — это свойство тела, характеризующее его инертность. При одинаковом воздействии со стороны окружающих тел одно тело может быстро изменять свою скорость, а другое в тех же условиях — значительно медленнее. Принято говорить, что второе из этих двух тел обладает большей инертностью, или, другими словами, второе тело обладает большей массой.

36. 3.12. I закон Ньютона Первый закон Ньютона может быть сформулирован так: существуют такие системы отсчёта, относительно которых тело (материальная точка) при отсутствии на неё внешних воздействий (или при их взаимной компенсации) сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения. Системы отсчёта, в которых выполняется первый закон Ньютона, называют инерциальными. Или: инерциальные системы отсчёта — это системы, относительно которых материальная точка при отсутствии на неё внешних воздействий или их взаимной компенсации покоится или движется равномерно и прямолинейно. Системы отсчёта, связанные с Землёй, можно с достаточной точностью считать инерциальными.

37. Спасибо за внимание!