Конспект лекций. Подписано к печати Формат 60 ´ 84/16

Часть I

ФИЗИКА

Подписано к печати		Формат 60 ´ 84/16
Тираж 300 экз.		Заказ №	Усл. п. л.

127994 Москва, А-55, ул. Образцова д. 9, стр.9. Типография МИИТ

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящее пособие является конспектом курса лекций, которые автор читает в первом семестре курса физики студентам МИИТа (весь курс рассчитан на три семестра). Обычно учебные планы рассчитываются, исходя из предположения о том, что в каждом семестре будут прочитаны 18 лекций. Однако по различным причинам (к которым относятся праздники, разного рода мероприятия, требующие присутствия на них студентов-первокурсников и т. д.) реальное число лекций за семестр оказывается меньшим. Именно поэтому данный конспект составлен, исходя из предположения, что лекций удаётся прочитать только 17. Впрочем, во введении ко всему конспекту, а также в качестве примеров проявления тех или иных физических эффектов по теме каждой лекции в пособии приведён материал, который может быть использован преподавателем в аудитории в том случае, если потерь в лекционных часах не происходит.

При нехватке лекционного времени часть материала может быть опущена (например, введение, раздел 12.2 и т. д.).

Конспект не заменяет учебники, рекомендуемые для изучения общей физики; он лишь призван служить дополнительным источником информации, облегчающим освоение студентами этого курса. К числу основных учебников и задачников, используемых в МИИТе, относятся следующие:

1. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики: Учеб. пособие для втузов. – М.: Высш. школа, 2002. – 718 с.

2. Трофимова Т.И. Курс физики: Учеб. пособие для вузов. – М.: Высш. школа, 2004. – 544 с.

3. Савельев И.В. Курс общей физики в 3-х тт. – М.: Астрель АСТ, 2007.

4. Волькенштейн В.С. Сборник задач по общему курсу физики. – М.: Наука, 1985 - 2004.

5. Чертов А.Г., Воробьёв А.А. Задачник по физике: Учеб. пособие для вузов. – М.: Изд. Физ.-мат. литературы, 2002. – 640 с.

6. Сборник задач по дисциплине «Физика» / Под общ. ред. проф. С.М. Кокина – М.: МИИТ, 2006. – 144 с.

ВВЕДЕНИЕ

· Наука и научное знание

На протяжении всей своей истории люди выработали разные способы познания и освоения окружающего их мира, и одним из них является наука. Сам термин «наука» – Science – происходит от латинского слова Scientia (знание). Однако не всякое знание является наукой! Дело в том, что кроме науки по-своему отражают реальность, формируют свои области знаний, например, ещё искусство и религия. Но лишь наука создаёт мир знаний, состоящий лишь из экспериментально доказанных данных об этом мире и выводов, полученных на основе законов логики. В этом мире самому человеку, его субъективным оценкам, предпочтениям отводится весьма незначительная роль.

Когда говорят о научном методе познания, то подразумевается, что этот метод основан на следующих принципах:

1. Принцип причинности. «Ни одна вещь не возникает беспричинно, но всё возникает на каком-нибудь основании и в силу необходимости», – Демокрит (около 460 – 370 гг. до н. э.). Сказанное означает, что в основе любого следствия всегда должна лежать некоторая причина (возникшее следствие, в свою очередь, может повлиять на причину). Этот принцип имеет объективный и всеобщий характер, и именно поэтому на нём базируется вся материально-техническая деятельность человека.

2. Принцип воспроизводимости результатов. Естественнонаучная истина проверяется (доказывается) только практикой: наблюдениями, опытами, производственной деятельностью. «Наука началась тогда, когда люди научились мерить; точная наука немыслима без меры», – Д.И. Менделеев (1834 – 1907). Однако говорить о научной истине можно лишь в том случае, если результаты исследований воспроизводимы. Это означает, во первых, что полученный однажды результат должен допускать его повторение независимыми исследователями. Во-вторых, этот критерий выносит в разряд ненаучных такие невоспроизводимые явления, как, например, НЛО. Конечно, по поводу невоспроизводимых явлений можно строить различного рода предположения, отыскивать подтверждения их справедливости, однако даже после получения серии доказательств, говорящих в их пользу, всегда будет оставаться место для сомнений: нельзя ли тот же результат объяснить по иному? В связи с этим следует вспомнить принцип, предложенный английским философом У. Оккамом (около 1300 – 1350): для объяснения чего-либо «не следует умножать сущности без надобности», то есть не нужно выдумывать новых гипотез, если это «что-то» можно объяснить, исходя из уже известных представлений.

С принципом воспроизводимости результатов тесно связан приведённый выше основной признак, который отличает науку от других способов познания окружающего мира: любая гипотеза должна подвергаться проверке экспериментом (не зря научная гипотеза определяется, как научное предположение, требующее проверки на опыте и теоретического обоснования). Пусть в пользу некоторой гипотезы говорит множество фактов, однако достаточно появиться только одному, который её опровергает, гипотезу придётся пересматривать. Так, например, весь массив накопленных наукой экспериментальных данных говорил в пользу справедливости законов классической механики, однако, в конце XIX – начале XX веков появились результаты новых исследований, и оказалось, что эти законы имеют приближённый характер: была создана специальная теория относительности (А. Эйнштейн, 1879 – 1955).

3. Принцип возможности предсказания новых явлений и эффектов. В основу научной теории гипотеза ложится лишь в том случае, если на её основе удаётся сделать предсказания новых явлений и эффектов, таких, которые, опять-таки допускают экспериментальную проверку, но которые не могут быть объяснены другими гипотезами.

4. Принцип относительности научного знания. Научные понятия, идеи, концепции, модели, теории, выводы из них всегда относительны и ограничены. Задача учёного – установить границы соответствия существующего научного знания действительности. Здесь, во-первых, следует помнить, любой эксперимент характеризуется ошибками измерения (погрешностью). Совершенствование процедуры измерений позволяет уменьшить эти ошибки, однако, как ни совершенствуй измерительную аппаратуру, соответствующие погрешности хоть и могут стать меньше, но всё же окончательно не исчезнут, поскольку любой прибор характеризуется вполне определёнными диапазоном измерений и чувствительностью.

Во-вторых, существование погрешностей зачастую оказывается принципиально связано с той методикой, с теми теоретическими представлениями, которые положены в основу процедуры измерения. Так, например, долгое время казалось, что по мере совершенствования оптических приборов будут создаваться всё более и более мощные микроскопы, которые, в идеале должны дать возможность измерить размеры отдельных молекулы и атомов. Но этого не произошло из-за того, что для столь малых объектов наблюдения, сами принципы геометрической оптики оказываются неприменимыми. Чем меньше объект, тем более существенной становится необходимость учёта волновых свойств электромагнитного излучения: свет огибает этот объект (явление дифракции), и поэтому увидеть последний оказывается невозможно.

К методам научного познания в настоящее время относят: наблюдение, измерение, индукцию, дедукцию, анализ, синтез, абстрагирование, моделирование и эксперимент.

· Описание окружающего мира. Явления и эффекты. Определения. Единицы измерения физических величин. Законы

Понять окружающий мир, это, прежде всего, – описать его. В свою очередь, описание начинается с выявления в природе, в различных областях практической деятельности человека причинно-связанных событий: эффектов и явлений, объяснение которым и даёт наука. Перечислим некоторые из подобных физических явлений:

- Термоэлектронная эмиссия – явление испускания электронов нагретыми металлами и полупроводниками;

- Интерференция – явление возникновения устойчивой во времени картины распределения максимумов и минимумов колебаний при наложении друг на друга нескольких волн;

- Радиоактивный распад – явление распада ядер атомов на более лёгкие ядра и элементарные частицы.

Важным этапом описания наблюдаемого эффекта является введение общепринятых терминов, определений, оперируя которыми можно однозначно информировать окружающих о результатах исследований. В каждой области человеческой деятельности есть свои термины и определения. Приведём примеры определений, используемых в физике (а также в разных областях техники): путь, перемещение, ускорение, импульс, работа, давление, потенциал, эдс, магнитный поток, индуктивность и т.д. Знакомство с любой новой отраслью знаний, – это, прежде всего, освоение используемой в этой отрасли системой терминов и определений, и физика здесь не является исключением.

Количественное соотношение между параметрами, вводимыми а основе определений, невозможно без установления системы единиц измерения величин этих параметров. Часть из этих единиц принимаются за основные (по договорённости для их определения выбираются эталоны), оставшиеся являются производными, определяемыми через основные (хотя производные единицы зачастую и имеют собственное название).

В широко распространённой в настоящее время международной системе единиц СИ основных единиц семь:

- метр – единица измерения длины (м);

- секунда – единица измерения времени (с);

- килограмм – единица измерения массы (кг);

- кельвин – единица измерения температуры (К);

- моль – единица измерения количества вещества (моль);

- ампер – единица измерения силы тока (А);

- кандела – единица измерения силы света (кд).

Примеры производных единиц с указанием того, что в них измеряется: метр в секунду (м/с) – скорость; метр в секунду за секунду, (м/с²) – ускорение; килограмм на метр в секунду (кг×м/с) – импульс.

Примеры производных единиц, которые имеют в СИ собственное название, с указанием того, что в них измеряется и общепринятыми обозначениями соответствующих параметров:

- ньютон – сила F; 1 Н = 1 кг×м×с^-2;

- джоуль – работа A, энергия E, W, количество теплоты Q;

1 Дж = 1 Н×м = 1 кг×м²×с^-2;

- ватт – мощность N, P; 1 Вт = 1 Дж×с^-1 = 1 кг×м²×с^-3;

- паскаль – давление p; 1 Па = 1 Н×м^-2 = 1 кг×м^-1×с²;

- кулон – заряд q; 1 Кл = 1 А×с;

- вольт – потенциал j, напряжение U, э. д. с. E;

1 В = 1 Дж/Кл = 1 кг×А^-1×м²×с^-3;

- фарад – электроёмкость C; 1 Ф = 1 Кл/В = 1 А²×с⁴×кг^-1×м^-2;

- ом – электрическое сопротивление R, r;

1 Ом = 1 В/А = 1 кг×м²×с^-3×А^-2;

- тесла – индукция магнитного поля B;

1 Тл = 1 Н/(А×м) = 1 кг×А^-1×с^-2;

- вебер – магнитный поток F; 1 Вб = 1 Тл×м² = 1 кг× м²×А^-1×с^-2;

- генри – индуктивность L; 1 Гн = 1 Вб/А = 1 кг× м²×А^-2×с^-2;

(Напомним, сокращения единиц измерения, названных так в честь известных учёных, пишутся с большой буквы).

На основании экспериментальных данных и теоретических построений, призванных объяснить эти данные, удаётся устанавливать определённые законы. Для количественного отображения связи между соответствующими физическими величинами используются формулы, однако следует помнить, что далеко не всегда записанная формула полностью отображает суть закона. Так, например, формулу для силы Ампера, которая действует на проводник с током, помещённый в магнитное поле, можно записать в виде:

F _А = B×I×l×sin a.

Однако, во-первых, следует объяснить, что имеется в виду под символами F _А, I, l, B и о каком угле a идёт речь, но и, во-вторых, необходимо сказать, как определяется направление действия этой силы.

Заметим, многие из переменных, входящих в формулы физических законов, являются векторами, и об этом нельзя забывать. Так, запись формулы для силы Ампера в векторном виде выглядит следующим образом:

= I ×[]

(здесь квадратными скобками обозначено векторное произведение векторов и : понятно, что, используя эту формулу, нужно знать, как выбирается направление этих векторов).

Сталкиваясь с конкретной практической ситуацией, исследователь прежде всего создаёт её упрощенную модель, отражающую основные особенности ситуации. Примерами моделей являются материальная точка, нерастяжимая нить, абсолютно твёрдое тело, идеальный газ, точечный заряд и др. Чем проще модель, тем легче описать её математически. Именно это и имеет место в учебных задачах, которые приведены в стандартных задачниках по физике. В большинстве случаев там сразу понятно, о каких явлениях, эффектах идёт речь, какие законы соответствуют этим явлениям, и какие, описывающие эти законы формулы, должны быть привлечены для решения задачи. В реальности, однако, зачастую неизвестно, какие из параметров являются существенными, а какие – нет, и только эксперимент подскажет, правильно ли вы рассчитали результат, или он далёк от истины. Но только решая учебные задачи можно научиться «чувствовать ситуацию», овладеть навыками самостоятельной работы, то есть – стать грамотным специалистом.

Дата добавления: 2014-01-04