Міністерство освіти і науки України
Національний технічний університет України
„Київський політехнічний інститут”
Фізико-математичний факультет
Фізичні основи механіки
Конспект лекцій
з курсу загальної фізики
Приклади розв’язування задач
Київ 2008
УДК 53 (07)
Ф50
Укладачі: Білоус Михайло В’ячеславович Горбатюк Василь Архипович
Печерська Тетяна Вікторівна
Рецензент: Ментковський Ю.Л.
Фізичні основи механіки. Конспект лекцій з курсу Ф50 загальної
фізики. Приклади розв’язування задач – К.: Видавець „Пугач О.В.”,
2008. – 72с.
Рекомендовано
кафедрою ЗФ та ФТТ
НТУУ „КПІ”.
Протокол №10 – 07
від 10.10.2007 р.
Розраховано на студентів технічних спеціальностей усіх форм навчання.
©Білоус
М.В., Горбатюк В.А.,
Печерська Т.В., 2008
©Пугач О.В., оформлення, 2008
"Сучасна фізика - це свого роду дволикий Янус. З одного боку – це наука з палаючим поглядом, яка прагне проникнути в глибини великих законів матеріального світу. З іншого – це фундамент нової техніки, майстерня сміливих технічних ідей, опора й рушійна сила безперервного індустріального прогресу".
Академік Л. А. Арцимович
ВСТУП
Фізика – це наука про природу. Вона вивчає найбільш загальні властивості й закони руху матерії.
Закон – це необхідний, істотний, стійкий, повторюваний зв’язок між явищами.
Матерія – це все те, що існує об'єктивно, тобто незалежно від нашої свідомості, і пізнається шляхом почуттів, це нескінченна безліч усіх існуючих у світі об'єктів і систем, субстрат (тобто загальна основа) будь-яких властивостей, зв'язків, відносин і форм руху.
Фізика вивчає переважно два види матерії: речовину та поле.
Невід’ємною властивістю матерії, умовою й способом її існування є рух. Під рухом матерії взагалі варто розуміти будь-який процес, будь-які зміни реальності, у тому числі й ті, що протікають і в природі, і в людському суспільстві. Фізика вивчає найпростіші, але разом з тим і найбільш загальні форми руху матерії й закономірності перетворення одних форм на інші. Тому поняття фізики та її закони лежать в основі всього природознавства.
Усі процеси в природі протікають у просторі й у часі. Простір і час – це філософські категорії й фізичні поняття, що є загальними формами буття матерії, які не існують поза матерією. У цьому розумінні простір і
час є не абсолютними, як їх сприймав І. Ньютон, а відносними.
Фізика – це найфундаментальніша з усіх природничих наук, най-всеосяжніша; величезним був і є її вплив на розвиток усіх наук. Водночас ряд інших наук сприяють розвитку фізики.
Найтісніше фізика пов’язана з філософією. Внаслідок всеосяжності своїх законів фізика завжди впливала на розвиток філософії й сама зазнавала її впливу. Кожне нове відкриття в галузі природознавства спонукало до розширення й поглиблення теорії матеріалізму, а іноді й до зміни його форм. Саме на базі таких відкриттів (наприклад: будова атома, корпускулярно-хвильовий дуалізм мікрочастинок, імовірний характер законів руху мікрочастинок та ін.) матеріалізм здобував дедалі більше підтвердження й конкретизацію своєї вищої форми – діалектичного матеріалізму. Проголошувана ж матеріалізмом єдність матеріального світу яскраво проявляється у взаємних перетвореннях елементарних частинок – можливих форм існування матерії. Особливо важливий правильний філософський підхід у тих випадках, коли старі фізичні уявлення зазнають корінного перегляду. Тільки матеріалістичне розуміння співвідношення між абсолютною й відносною істинами дозволяє правильно оцінити сутність революційних перетворень у фізиці.
Важко собі уявити сучасну фізику без зв’язку з математикою. Фізика – це наука не тільки якісна, а й кількісна. Основні її закони формулюються математичною мовою. З іншого боку, нові ідеї й методи в математиці часто виникають під впливом фізики. Так, аналіз нескінченно малих величин був виконаний І. Ньютоном (одночасно з Г.В. Лейбніцем) під час формулювання основних законів механіки. Роз-виток векторного аналізу зумовлений створенням теорії електромагніт-ного поля. На розвиток тензорного обчислення, теорії груп вплинуло ство-рення теорії відносності, квантової механіки та інших фізичних теорій.
Фізика й хімія не тільки стикаються, але найчастіше переплітаються. Підхід до теорії будови атомів, утворення молекул, конденсованого стану речовини та ряду інших явищ природи у фізиці й хімії принципово не відрізняється. Використовуючи різні методи дослідження, розглядаючи різні форми руху матерії при вивченні одних і тих самих явищ, фізика й хімія підкріплюють і взаємозбагачують одна одну. Суміжні галузі між фізикою й хімією представленні фізичною хімією та хімічною фізикою.
Завдяки біології у фізиці відкрито закон збереження енергії. Сформу-льований фізикою закон збереження енергії для всіх процесів, а також при-родних явищ є обґрунтованим узагальненням законів збереження енергії в різних окремих галузях: закону Ю. Р. Майєра, який він виявив під час вивчення кількості теплоти, що виділяється і поглинається живим організ-мом, закону збереження механічної енергії, виявленого Г.В. Лейбніцем; закону збереження енергії в термодинаміці, виявленого Дж.П. Джоулем і Г.Л. Гельмгольцем. Якщо уважно вивчати біологію живих організмів, то можна помітити безліч суто фізичних явищ: циркуляцію крові, тиск, фотосинтез тощо. Тому біологія у своєму розвитку опирається най-частіше на досягнення фізики, наприклад, у біології використовуються радіоактивні ізотопи, різноманітні фізичні методи дослідження.
Зв'язок фізики з іншими галузями природознавства привів до того, що фізика найглибшими коріннями проросла в астрономію, геоло-гію, хімію, медицину та інші природничі науки. Фізичні методи дослід-ження відіграють вирішальну роль у всіх природничих науках. Особли-во популярними стали такі методи, як електронна мікроскопія, нейтро-нографія, рентгенографія, магнітні й електричні методи, метод мічених атомів, методи ядерної фізики й фізики елементарних частинок.
Фізика є фундаментом найголовніших напрямів техніки. Шляхи роз-витку будь-якої галузі тісно переплітаються з фізикою. Електротехніка й енергетика, радіотехніка й електроніка, світлотехніка, будівельна техніка, гідромеханіка, теплотехніка, обчислювальна техніка, значна частина вій-ськової техніки засновані й розвиваються на основі фізики. Завдяки сві-домому використанню фізичних законів, техніка зі сфери випадкових відкриттів вийшла на широку дорогу спрямованого розвитку.
У свою чергу не менш істотним є вплив техніки на вдосконалення експериментальної фізики, а отже, і на її прогрес загалом. Цьому сприяє найсучасніша експериментальна база. Сучасна фізика є джерелом рево-люційних перетворень у всіх галузях техніки. Вона вносить вирішаль-ний вклад у науково-технічну революцію.
На основі вище викладеного можна сформулювати роль фізики в технічному навчальному закладі в такий спосіб:
а) вивчення фізики має велике значення для формування наукового світогляду;
б) фізика є базовою дисципліною для багатьох загальноінженерних і спеціальних дисциплін;
в) шляхи розвитку будь-якої галузі сучасного виробництва тісно переплітаються з фізикою. Тому інженер будь-якого профілю має володіти фізикою в такому обсязі, щоб застосувати її досягнення у своїй практичній діяльності.
Фізика вивчає якісні й кількісні закономірності спостережуваних явищ. Ці явища, процеси можна класифікувати за видами взаємодій, що проявляються в них. У наш час виділяють чотири типи фундаментальних взаємодій у природі:
Гравітаційна взаємодія – взаємодія між масами, що проявляється на будь-яких відстанях між ними, тобто гравітаційна взаємодія має нескінченний радіус дії.
Електромагнітна взаємодія – взаємодія зарядів. Вона має також нескінченний радіус дії.
Сильна взаємодія – взаємодія, зумовлена ядерними силами. Радіус дії дорівнює розмірам ядра – r ≈ 10-13 см. Це взаємодія між нуклонами в ядрі. Вона зумовлює існування ядер.
4. Слабка взаємодія, як і сильна, зумовлена ядерними силами. Вона відповідає за всі види β-розпаду, за процеси взаємодії нейтрино з речовиною. Радіус її дії r ≈ 10-15 см.
Оскільки сильна й слабка взаємодії мають малий радіус дії, їх називають короткодіючими.
Можливість протікання тих або інших процесів, напрям цих про-цесів визначаються виконанням для них відповідних законів збереження. Таких законів вже є досить багато (~10). Кожний з фізичних законів має певну область застосування.
Фізичні закони, що мають найпоширенішу область застосування, називають фундаментальними. Їх чотири:
Закон збереження імпульсу, пов'язаний з однорідністю простору, тобто з однаковістю властивостей усіх точок простору.
Закон збереження моменту імпульсу, пов'язаний з ізотропністю простору, тобто з фізичною еквівалентністю всіх напрямів у просторі.
Закон збереження енергії, пов'язаний з однорідністю часу, тобто з відсутністю якого-небудь особливого моменту часу.
Закон збереження електричного заряду, пов'язаний з особли-вою симетрією хвильової ψ-функції, що описує стан зарядженої час-тинки. Фізичні явища в області механіки можна класифікувати за величиною мас тих тіл, які беруть участь у цих явищах, і швидкості руху. Певні класи явищ розглядаються відповідними розділами фізики, що може бути проілюстровано такою схемою:
m – велика, υ – мала: класична нерелятивістська фізика |
m – велика, υ – велика: класична релятивістська фізика (спеціальна і загальна теорія відносності) |
m – мала, υ – мала: квантова нерелятивістська фізика |
m – мала, υ – велика: квантова релятивістська фізика |
m – маса фізичного об’єкта,
υ – швидкість протікання процесів.
Маса об'єкта порівнюється з масою атома або молекули, швидкість руху – зі швидкістю світла у вакуумі.
У цьому посібнику розглядаються основні положення класичної нерелятивістської фізики.
ФІЗИЧНІ ОСНОВИ МЕХАНІКИ