физика механика
.pdfВ.В. Бурмистров
Механика
и
Молекулярная физика
ДЛЯ СТУДЕНТОВ ИНЖЕНЕРНЫХ СПЕЦИАЛЬНОСТЕЙ
Издание первое, стереотипное
Рекомендовано кафедрой физики Коломенского института МГОУ
в качестве учебного пособия для студентов инженерных специальностей
Коломна
«РИЗА» - 2006
УДК 535 (075)
Рецензенты:
канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры общей и специальной физики Обнинского института атомной энергетики ТихоненкоА.В.; канд. тех. наук, профессор кафедры физики Коломенского института МГОУ ЕвдокимовВ.В.
Научный редактор: Беспалов Б.Б. Технический редактор: Тарасова Н.А. Компьютерная графика: Тарасова Н.А.
БурмистровВ.В.
Механика и молекулярная физика для студентов инженерных специальностей: Учеб. пособие для вузов/В.В. Бурмистров – 1-е
изд., стер. – К.: РИЗА, 2006. – 188 с.: ил.
Пособие «Механика и молекулярная физика для студентов инженерных специальностей» написано в соответствии с рабочей программой курса общей физики для инженерно-технических специальностей высших учебных заведений. В пособии отстаивается новая концепция чтения лекций с использованием компьютерного моделирования для широкой аудитории.
В отличие от существующих пособий нетрадиционно в небольшом объеме книги представлены 6 глав курса, четко сформулированы определения и понятия рассматриваемых явлений. Изучаемые явления сопровождаются своеобразным исчерпывающим графическим оформлением.
Предназначено для студентов ВУЗов, преподавателей и специалистов в области механики и молекулярной физики.
Оригинал-макет данного издания является собственностью автора, и его репродуцирование (воспроизведение) любым способом без согласия автора запрещается и преследуется по закону.
- 2 -
ПРЕДИСЛОВИЕ
к первому изданию
Предлагаемое учебное пособие является первым изданием курса лекций по механике и молекулярной физике, много лет читаемого автором в Коломенском институте МГОУ студентам инженерных специальностей.
В данном учебном пособии автор выступает проводником новой концепции чтения лекций, предполагающей использование компьютерного моделирования в аудитории, которая оснащена современной оргтехникой. В компьютерном эксперименте применима компьютерная анимация, «живые» графики, реальные численные результаты. Многие графические иллюстрации, представленные в книге, являются фрагментами компьютерного моделирования, предназначенного для чтения лекций. Автор выражает глубокую уверенность в том, подобная концепция чтения лекций является мощным средством интенсификации занятий и повышения интереса студентов к физике.
«Курс лекций» по механике и молекулярной физике является первым этапом изучения общей физики для студентов инженерных специальностей любого технического вуза. К этому моменту студенты владеют, а точнее, лишь ознакомлены с основными физическими законами и фундаментальными явлениями природы из небогатого школьного курса. Предлагаемая книга содержит шесть глав насыщенного разнообразными понятиями интегрированного курса «Механика и молекулярная физика», а также «Вводную» и «Заключительную» главы. Кроме классической механики, учебное пособие содержит материал по релятивистской механике, включая беглое представление об общей теории относительности Эйнштейна, и элементы теории колебаний и волн. Большая глава посвящена основам молекулярной физики, где рассмотрены и термодинамический, и статистический методы исследования этой науки.
Настоящее учебное пособие нацелено помочь начинающим студентам в освоении физики на первом этапе, так как весь необходимый материал в достаточном для успешной сдачи экзамена объеме сосредоточен в предлагаемой книге. Однако такое положение вещей вовсе не освобождает от посещения
- 3 -
лекций. Напротив, наличие у студентов читаемого курса лекций позволяет преподавателю наиболее полно изложить материал с использованием последних достижений компьютерной техники: физического и математического моделирования, отображаемого с помощью компьютера и проекционного аппарата «живые явления» на демонстрационном экране.
Предлагаемый «Курс лекций» существенно отличается от известных учебных пособий ярко выраженным акцентом на причинно-следственные связи между рассматриваемыми физическими величинами и явлениями, которые они описывают. Так, графическая интерпретация различных зависимостей выполнена не в общем виде, как в большинстве учебников, а для конкретных числовых параметров с четким указанием единиц измерения используемых величин и их реальных масштабов. Здесь автор снова прибегает к компьютерному моделированию. Кроме того, с первой до последней страницы своей книги автор строго и последовательно «насаждает» мысль о том, что физическая величина – это произведение числового значения на единицу измерения, а физическое явление лежит в основе всего естествознания, сущность которого можно постичь, устанавливая строгие количественные закономерности между физическими величинами.
Автор книги, будучи ограниченным небольшим объемом (курс рассчитан на 23 лекции), стремился к четкости определений и формулировок при рассмотрении каждого явления. В этой связи особое внимание уделялось графическому оформлению изучаемого материала, что было реализовано в большинстве своем с помощью фрагментов компьютерного моделирования.
Для обеспечения достаточно высокого уровня книги автор в полной мере пользовался понятиями и терминами высшей математики и операторами векторного анализа. Однако наряду с использованием, например, дифференциальных уравнений всегда приводятся соответствующие им физические толкования, поэтому у читателя, менее сведущего в математике, не должно возникать затруднений при работе с книгой.
Коломна, 2006 г. |
В.В. Бурмистров |
- 4 -
ОПОЛЬЗОВАНИИ КНИГОЙ
●Книга разбита на главы, связанные между собой общими терминами и ссылками. Нумерация параграфов внутри каждой главы автономная, имеющая начало всякий раз с цифры 1. Параграф может иметь трехзначное дробление
(например, §4.2.3).
●Нумерация формул внутри каждой главы – автономная и двузначная: первая цифра указывает на номер главы, число после точки – на номер формулы в этой главе.
●Все формулы представляют собой уравнения для величин, то есть не зависят от выбора системы единиц. Преимущество в книге отдано международной системе единиц СИ.
●Физические величины обозначаются в книге, как правило, курсивом, то есть наклонным шрифтом; символ производной величины (или дифференциала) обозначен без наклона (например, drdt – производная радиуса-вектора по времени).
●Векторные величины снабжены вверху символом стрелки или сплошной черты (если ширина физической величины отклоняется от нормальных размеров).
●Примеры в книге имеют сквозную нумерацию внутри
отдельной главы. При этом каждый пример начинается специальным символом « » и заканчивается знаком « ».
●Книга сопровождается сквозными поясняющими сносками.
Вней имеются также замечания, отмеченные специальным
символом «*».
●Рисунки не имеют нумерации, заключены в узорную рамочку и относятся непосредственно к излагаемому тексту.
***************
- 5 -
Глава0
Введение
§0. Роль физики в мировоззрении современного инженера
Физика – наука о природе, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие закономерности явлений природы, свойства и строение материи, законы ее движения.
Понятия физики и ее законы лежат в основе всего естествознания. Физика относится к точным наукам и изучает количественные закономерности явлений.
Границы, отделяющие физику от других естественных наук, в значительной мере условны и меняются с течением времени. Но незыблемым во все времена и у всех народов остается утверждение
«ФИЗИКЕ ЕСТЬ ДЕЛО ДО ВСЕГО!»
Современная физика содержит небольшое число фундаментальных физических теорий, охватывающих все разделы ФИЗИКИ и современного естествознания, составляющих основу мировоззрения современного человечества.
§1. Краткая характеристика предмета курса
М1.1. КЛАССИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА
Наука о механическом движении и равновесии материальных тел и происходящих при этом взаимодействиях между ними.
9 Механическое движение
Изменение взаимного расположения тел или их частей в пространстве с течением времени.
- 6 -
9 Механическое взаимодействие
Взаимодействие материальных тел, в результате которого происходят изменение состояния их механического движения или их деформации.
9 Основная задача механики
Определение положения тела в любой момент времени.
Механику традиционно подразделяют на три раздела:
кинематику, динамику и статику, а также выделяют особо
законы сохранения в механике как следствие фундаментальных свойств пространства и времени. В нашем курсе мы уделим особое внимание кинематике и динамике. Статику рассмотрим в качестве частного случая динамики1. Законам сохранения будет уделено пристальное внимание.
Физика как наука о природе прошла в своем развитии
|
|
|
огромный |
|
путь. |
|
На |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
символическом |
|
|
графике |
||
|
|
|
зависимости |
|
пути |
S |
от |
|
|
|
|
отношения |
скорости |
тела |
к |
||
|
|
|
скорости |
света |
v c |
|||
|
|
|
обозначено место каждой из |
|||||
|
|
|
составляющих этой маститой |
|||||
|
|
|
науки. Из этого же графика |
|||||
|
|
|
можно |
|
|
составить |
||
|
|
|
представление |
о |
границах |
|||
|
|
|
применимости |
|
различных |
|||
|
|
|
физических наук2. |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|||
|
C 1.2. ЭЛЕМЕНТЫ СПЕЦИАЛЬНОЙ |
ТЕОРИИ |
||||||
|
ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ (СТО) |
|
|
|
|
9СТО – современная теория пространства и времени.
9СТО и квантовая механика – теоретическая база современной физики и техники, основа современного мировоззрения.
1Подробно этот раздел рассматривается в курсе «Теоретическая механика»
2Сегодня любая из представленных на графике составляющих физики является самостоятельной наукой
-7 -
9 СТО часто |
называют |
релятивисткой |
теорией, |
а |
специальные |
явления, |
описываемые этой |
теорией, |
- |
релятивистскими эффектами3.
Помимо основ специальной теории относительности мы дадим представление об общей теории относительности Эйнштейна.
Т 1.3. ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИКИ
9 Молекулярная физика – раздел физики, в котором изучаются физические свойства тел в различных агрегатных состояниях (газообразном, жидком, твердом и особом – в состоянии плазмы4) на основе рассмотрения их микроскопического (молекулярного) строения. Главная задача молекулярной физики связана с изучением зависимости физических свойств тел от характера движения и взаимодействия частиц (атомов, молекул, ионов), составляющих физические тела. Эту задачу молекулярная физика решает методами
физической статистики, термодинамики и кинетики. В нашем курсе мы коснемся сущности каждого из этих методов.
К1.4. ОСНОВЫ ТЕОРИИ КОЛЕБАНИЙ И ВОЛН 9 Теория колебаний и волн – большая область науки,
исследующая колебательные и волновые явления в системах различной природы, рассматривая механические, акустические, электрические и оптические колебательные и волновые процессы с единой точки зрения. В рамках нашего рассмотрения окажутся дифференциальные уравнения второго порядка для различных колебательных систем (незатухающих и затухающих) и классическое волновое уравнение.
◊◊◊◊◊◊◊◊◊◊◊◊◊◊◊◊◊◊◊◊◊◊◊◊
3Эти эффекты имеют место при скоростях, близких к скорости света с=3*108 м/c
4Особое состояние вещества, плазма, в рамках данного курса не затрагивается
-8 -
ЛИТЕРАТУРА
1.ЗисманГ.А., ТодесО.М. Курсобщейфизики. – М.: Наука, 1974. Т. 1.
2.Детлаф А.А., Яворский Б.М., Милковская Л.Б. Курс физики. – М.: Высшаяшкола, 1979. Т. 1.
3.СавельевИ.В. Курсобщейфизики. – М.: Наука, 1979. Т. 1.
4.ТрофимоваТ.И. Курсфизики. – М.: Высшаяшкола, 2001. Т. 1.
5.Волькенштейн В.С. Сборник задач по общему курсу физики. – М.:
Наука, 1979.
6.Бурмистров В.В. Общефизический практикум с использованием
автоматизированной системы обработки экспериментальных данных. Механика и молекулярная физика для студентов инженерныхспециальностей. – Коломна, «Риза», изд.1, 2005.
***** Глава0. §1 *****
§2. Базовые понятия курса
§2.1. Международная система единиц
Физические законы выражаются в виде математических соотношений между физическими величинами. Под последними понимают измеряемые характеристики (свойства) физических объектов (предметов, состояний, процессов).
Каждая физическая величина представляет собой произведение численного значения на единицу измерения.
Физическая величина = Численное значение * Единица измерения.
Различные системы единиц отличаются друг от друга тем, какие единицы приняты за основные. В этой книге предпочтение отдано Международной системе единиц, обозначаемой СИ (по начальным буквам System International - SI) .
Основные и дополнительные единицы системы СИ приведены в таблицах 1 и 2, их определения – в таблице 3.
Таблица 1. Основные размерные физические величины ФИЗИЧЕСКАЯ ВЕЛИЧИНА ЕДИНИЦА ИЗМЕРЕНИЯ
|
|
|
|
|
|
Наименование |
Обоз- |
РазмеНаименование |
Обоз- |
Разме- |
|
|
наче- |
рность |
наче- |
рность |
|
|
ние |
|
|
ние |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
Длина |
l |
L |
Метр |
м |
м |
Масса |
m |
M |
Килограмм |
кг |
кг |
Время |
t |
T |
Секунда |
с |
с |
|
|
- 9 - |
|
|
|
1 |
|
2 |
3 |
Сила электри- |
I |
|
|
ческого |
тока |
I |
|
|
|
|
|
Термодинами- |
|
|
|
ческая |
темпе- |
|
|
ратура |
|
T |
Θ |
Сила света |
J |
J |
|
Количества |
n |
|
|
вещества |
N |
4 |
5 |
6 |
Ампер А А
Кельвин |
К |
К |
|
кд |
|
Кандела |
Кд |
|
Моль |
моль |
Моль |
В соответствии с международными соглашениями принято набирать обозначения физических величин
курсивом (наклонным шрифтом).
Необходимо строго различать понятия размерность и единица измерения физической величины. Кроме того, у единицы измерения также имеется размерность, которая часто не совпадает с обозначением единицы измерения.
Таблица 2. Дополнительные физические величины
ФИЗИЧЕСКАЯ |
ВЕЛИЧИНА |
ЕДИНИЦА |
ИЗМЕРЕНИЯ |
||||
Наименование |
|
Обоз- |
Разме- |
Наименование |
|
Обоз- |
Разме- |
|
|
наче- |
рность |
|
|
наче- |
рность |
|
|
ние |
|
|
|
ние |
|
Плоский угол |
|
ϕ |
1 |
радиан |
|
рад |
1 |
Телесный угол |
|
Ω |
1 |
стерадиан |
|
ср |
1 |
Таблица 3. Определения основных размерных физических величин
НАИМЕНОВАНИЕ ЕДИНИЦЫ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
1 |
2 |
Метр |
расстояние, проходимое в вакууме плоской |
|
электромагнитной волной за 1/299792458 долю |
|
секунды |
|
- 10 - |