Система отсчета, число степеней свободы, траектория, путь, перемещение

Виды механического движения.

Модели в механике.

Предмет механики.

Предмет и особенности физики.

Лекция № 1. Семестр 1.

1. Физика изучает простейшие формы движения материи. Она вскрывает основные законы, управляющие неживой природой. Полноценное современное представление об окружающем мире можно получить, лишь изучив полный, логически замкнутый, цельный курс физики.

Объектом исследования физики является все многообразие неживой природы. Сюда относятся: поля, кварки, элементарные частицы, атомы, молекулы, макротела, геологические и планетарные образования, небесные тела и их системы (галактики, космические среды, вакуум и т.д.). То есть физика изучает наиболее общие законы неживой природы и их частные проявления на любых структурных уровнях организации материи.

Каждая физическая теория опирается на набор адекватных идеали-зированных моделей рассматриваемых объектов (мат. точка, абсолютно твердое тело, точечный заряд и т. д.) и во всех случаях упрощение модели доводиться до возможности ее строгого математического описания.

Многие прикладные дисциплины это модифицированные развитием техники разделы физики. (Гидро и аэродинамика, теплотехника и электрохимия, электротехника, все разновидности электроники и т.д.)

Особенно выросла роль физики в последние годы: возрастает насыщенность производства физическими методами диагностики, контроля, исследований. Внедряется использование аппаратуры и устройств, применявшихся ранее только в физических лабораториях. Только всестороннее использование физики позволило за последние 50 лет повысить производительность труда при изготовлении элементов полупроводниковых интегральных микросхем не менее чем в 10¹⁵ раз, а их размеры (объем) уменьшить более чем в 10⁹ раз.

За последние десятилетия резко сократились сроки внедрения в практику физических открытий:

1. Открытие индуцированного излучения атомов и создание промышленных лазеров и лазерных технологий.

2. Открытие делений ядер урана и создание атомных электростанций.

3. Установление универсальных схемных свойств электронно-дырочных переходов и создание полупроводниковых интегральных схем на их основе и т.д.

Вся физика покоится на небольшом числе основных законов (законы Ньютона, начала термодинамики и т.д.) и фундаментальных принципах (принцип суперпозиций, принцип относительности и т.п.). Далее идут важнейшие частные законы, вытекающие из основных и т.д. Поэтому в первую очередь и особенно твердо надо усвоить основные законы и принципы, а затем их важнейшие следствия.

Область доступная для изучения все больше расширяется – физические объекты и процессы описываются все большими или все меньшими значениями величин, характеризующих эти объекты и процессы. Так, по шкале линейных размеров, экспериментальна физика приблизилась к 10^-18м в области микромира и к 10⁺²⁶м в области астрономических объектов.

Физика определяет процессы, длящиеся от 10^-23с до миллиардов лет. Давление от 10^-15 атмосферы. до миллиардов атмосфер и т.д. Принципиально важно, что количественное изменение физических величин рано или поздно приводят к качественным изменениям характера изучаемых законов.

2 .Раздел физики «основы механики» - особый. В нем закладываются фундаментальные представления современной науки об окружающем нас мире и содержаться понятия, принципы, законы и методы широко используемые во всех остальных разделах физики и во многих других учебных дисциплинах.

Предметом механики является изучение механического движения тел и связанных с этим движением взаимодействия между телами. Под мех. движением понимают изменение взаимного положения тел (или их частей) в пространстве со временем.

Механика, в свою очередь, подразделяется на:

Механика

кинематика динамика статика

1. В кинематике дается описание движения, вводятся характеристики движения тел, классифицируются движения(kinema (греч.) – движение.), без рассмотрения причин этого движения.

2. В динамике – исследуется взаимосвязь между механическим движением тел и их взаимодействием, т.е. движение и причины, вызвавшие это движение (силы).

(dinamis - (греч.) сила).

3. Статика - изучает равновесие материальных тел, т.е. те условия, при которых приложенные к телу силы не изменяют его движения.

Механика на первом этапе развивалась как наука о движении макроскопических тел. Макроскопическими телами называются такие, которые содержат большое количество атомов или молекул ≥ 10⁴ и размеры которых ≥ 10^-8 м. Рассматривалось движение со скоростями гораздо меньше чем скорость света. В итоге была сформулирована стройная теория, основанная на трех законах Ньютона – классическая механика.

При рассмотрении движений со скоростями, сравненными со скоростью света законы классической механики не «работаю» - возникла новая теория - релятивистская механика. Релятивистская механика - более обобщенный вариант классических законов. Она включает в себя классическую механику как частный случай, когда речь идет о малых скоростях V << c.

3 Материальный мир познаваем. Познание мира – бесконечный процесс, конечной целью которого является абсолютная истина. Приближение к абсолютной истине идет, в основном, от простого к сложному, через относительные истины. На каждом данном этапе познания физика имеет дело с относительными истинами. Относительные истины получают путем мысленного упрощения исследуемых объектов или процессов, которое облегчает выявления главных физических закономерностей окружающего нас мира. Используемые упрощения связаны с отвлечением, абстрагированием от второстепенных в данной задаче особенностей явления или объекта. Такой метод называется научной абстракцией. Построенные с помощью научной абстракции приближенные представления об изучаемом объекте называются моделями.

В механики (да и вообще в физике) используются упрощенные модели реальных систем - если при описании движения реальной системы некоторые явления мало существенны по сравнению с другими, то ими можно пренебречь.

В классической механике широко используются три основных модели:

1. Материальная точка,

2. Абсолютное твердое тело,

3. Сплошная среда.

1 Тело, размерами, формой и внутренним строением которого в данной задачи можно пренебречь, называется материальной точкой.

2 Тело, расстояния между частицами которого не изменяются называется абсолютно твердым телом.

3 Тело, атомно-молекулярным строением которого можно пренебречь, рассматривается как сплошная среда.

4. Тело может совершать поступательное, вращение или колебательное движения.

Поступательным называется движение, при котором любая прямая связанная с телом (например проведенная через 2 его любые точки) перемещается параллельно самой себе. При поступательном движении все точки тела движутся одинаково, поэтому движение тела можно рассматривать как движение материальной точки.

Вращательным называется движение, при котором все точки тела движутся по окружностям, центры которых лежат на одной прямой, названной осью вращения.

Колебательным называется движение, при котором координата тела периодически меняется то в одну, то в другую сторону от определенного значения.

Другой вариант классификации: механическое движение может быть

1. Прямолинейное равномерное. 2. Прямолинейное не равномерное.

3. Криволинейное равномерное.4. Криволинейное не равномерное.

Движение по кривой можно разложить на движения по частям окружностей с различными радиусами.

5. Не существует явлений, которые протекали бы вне пространства и времени. Пространство и время, как формы существования материи, органически связаны между собой: мир, в котором мы живем четырехмерен - 3 измерение пространственные, 1 измерение связано со временем.

Понятие перемещения в пространстве со временем, т.е. механическое движение, имеет строго определенное содержание только при указании, относительно каких тел перемещается рассматриваемый объект. В этом и заключается фундаментальное свойство природы, состоящее в том, что всякое движение относительно. Поэтому, для описания механического движения необходимо ввести систему отсчета:

Совокупность тела отсчета, системы координат и часов называется системой отсчета.

Значение всех параметров описывающих движение зависит от выбранной системы отсчета. В разных системах отсчета параметры движения будут разными. (Привести пример.). Простейший пример системы координат – прямоугольная декартова система координат.

	Положение и движение мат. точки A будет определятся скалярным уравнением:
X=X(t); Y=Y(t); Z=Z(t)....(1.1)
Проведем вектор r соединяющий начало. координат и положение точки А в данный момент времени t. Этот вектор называется радиус –вектором. Очевидно, что при движении точки А радиус-вектор будет изменяться, т.е. он является функцией времени.

Рисунок (1.1)

r=r(t)={ X=X(t); Y=Y(t); Z=Z(t) }=x e _x+y e _y+z e _z….(1.2)

- Это уравнение движения точки А в векторной форме. Уравнение (1.1) и (1.2) содержат полную информацию о движении точки А.

5.1. Число независимых координат однозначно определяющих положения тела в пространстве называются числом степеней свободы.

Точка свободно движущаяся в пространстве обладает 3 степенями свободы. k = 3(x, y, z). Если одна координата жестко ограничена. k = 2(y, z) - точка движется в плоскости {y, z.}. Если заданы 2 координаты k = 1(z) - точка движется по прямой.

Если система состоит из N точек, то число степени ее свободы k = 3N – n…(1.3)

где n – число связей.

Например, у водорода H₂: N=2, n=1, то есть k = 3´2-1=5. Для молекулы воды H₂О

N=3, n=2, то есть k = 3´3-2=7.

Рисунок 1.2	Линия АВ – траектория. пройденный путь.
Это скалярная величина. ∆r – перемещение – вектор. <V> - направлена так же как ∆r.
V – мгновенная скорость, направлена по касательной к траектории.

Линия, которую описывает материальная точка в пространстве при своем движении называется траекторией движения мат точки. Она может быть как прямолинейной, так и криволинейной.

Вектор, соединяющий начальное и конечное положения (.) называется перемещением. ∆r=r₁-r₀.

Длина участка траектории, пройденного мат.точкой за время t называется пройденным путем. .

Дата добавления: 2014-01-20