физика механика

В.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 -