Физика

22-12-2019 УМК

УМК по курсу общей физики содержит Учебное пособие по всем изучаемым разделам, включая Механику, Динамику, Электричество и магнетизм, Оптику, а также вопросы к зачету.

Раздел I. Элементы механики.

Глава 1. Введение. Кинематика поступательного и вращательного движения.

§1.1 Предмет физики и методы физических исследований.

Слово «физика» происходит от греческого «physis» – природа. Т.е. физика – это наука о природе. Более точно, физика – наука, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие закономерности явлений природы, свойства и строение материи, законы ее движения.

Физические явления издавна привлекали внимание людей. В 6 в. до н.э. – 2 в. н.э. впервые зародились идеи об атомном строении вещества (Демократ, Эпикур, Лукреций), была разработана геоцентрическая система мира (Птолемей), установлены простейшие законы статики (правило рычага), открыты закон прямолинейного распространения и закон отражения света, сформированы начала гидростатики (закон Архимеда), наблюдались простейшие проявления электричества и магнетизма.

Развитие физики как науки в современном смысле этого слова началось в 17 в. и связано в первую очередь с именем итальянского ученого Г. Галилея, который показал, что воздействие на данное тело окружающих тел определяет не скорость, как считалось в учении Аристотеля (4 в. до н.э.), а ускорение тела, т.е. предложил первую формулировку закона инерции. Ученик Галилея итальянский ученый Э. Торричелли установил существование атмосферного давления и создал первый барометр.

Английский ученый Р. Бойль и французский ученый Э. Мариотт исследовали упругость газов и сформулировали первый газовый закон, носящий их имя. Голландский ученый В. Снель и французский ученый Р. Декарт открыли закон преломления света, был создан микроскоп. В 1600 году английский ученый У. Гильберт разграничил электрические и магнитные явления и доказал, что Земля – гигантский магнит.

Основное достижение физики в 17 в. – создание классической механики – И. Ньютоном (английским ученым) были сформулированы все основные законы механики.

Можно перечислить еще многие открытия в области физики, которые имели важнейшее значение для всего естествознания.

Основным методом исследования в физике является опыт, т.е. наблюдение исследуемого явления в точно контролируемых условиях, позволяющих следить за ходом явления и воссоздать его каждый раз при повторении этих условий. Экспериментально могут быть вызваны явления, которые естественно в природе не наблюдаются.

Изучая физические объекты и явления природы при помощи наблюдений и эксперимента физика устанавливает научные факты, обобщение которых позволяет сформулировать физические законы, отражающие объективные закономерности, существующие в природе.

Физика представляет биологам широкий арсенал воздействий на живые организмы и разрабатывает тончайшие и разнообразнейшие методы регистрации процессов, происходящих в них. Используются разнообразные методы исследования тепловых, механических, акустических и оптических явлений, связанных с жизнедеятельностью организма.

Создаются мощные поля (электрические, магнитные, электромагнитные, акустические, тепловые и др.) и ими воздействуют на организм.

В качестве физического агента воздействия в последнее время стал широко применяться ультразвук.

В хирургической практике используются квантовые генераторы оптического диапазона – лазеры.

Мирное использование атомной энергии делает необходимым изучение биологического действия ионизирующих излучений: лучей, рентгеновских и ультрафиолетовых лучей, нейтронов, протонов, осколков ядер и т.д.

Физические методы предоставляют возможность исследовать влияние на живой организм космических лучей, перегрузок, невесомости и других физических факторов, с которыми сталкиваются летчики и космонавты.

Электронная микроскопия дает возможность рассмотреть внутриклеточные субмикроскопические структуры и живые объекты, невидимые в световом микроскопе. Приборы, основанные на волоконной оптике, позволяют осматривать внутренние полости организма с помощью световодов (лапароскопия) и т.д.

Важнейшей особенностью современной химии является использование новых физико-химических и физических методов исследования.

Наряду с классическими характеристиками веществ, такими, как элементный состав, плотность, температура плавления и кипения, показатель преломления активно используются структурные методы (рентгеноструктурный анализ, электронография, нейтронография), спектроскопические методы в широком диапазоне длин волн электромагнитного излучения (к новым методам можно отнести радиоспектроскопию и лазерную спектроскопию). Важное значение в химии имеют масс-спектрометрия и другие методы. Многие из химических свойств прямо или косвенно связаны с физическими свойствами.

Физические методы активно используются также при изучении физических свойств земного шара, а также при изучении физических процессов, происходящих в его твердой, жидкой и газообразной оболочках. Изучение Солнца и других планет также предполагает использование новейших физических методов.

§ 1.2 Материя и движение. Пространство и время – основные формы существования материи.

В поисках единой картины мира сформировалось понятие материи.

Материя – объективная реальность – все то, что существует вне и независимо от нашего сознания и отражается им.

Материя вечна, непрерывно развивается, находясь при этом в постоянном движении.

Движение (изменение) является способом существования материи.

Материя и движение неотделимы друг от друга, т.е. не существует материи без движения, как и не существует движения без материи.

В широком смысле слова движение – все изменения материи от простого перемещения до сложнейших процессов мышления.

Движение происходит в пространстве и во времени, которые являются взаимосвязанными формами существования материи.

Как известно, пространство – 3-х мерно, т.е. движение происходит в трех направлениях, время – одномерно – течет с прошлого через настоящее в будущее.

Известно два вида материи: вещество (атомы, молекулы, тела, плазма, и т.д.) и поле (электромагнитное, гравитационное и др. поля), находящиеся в неразрывной связи и, как показывает опыт, способные превращаться друг в друга.

Вещество может находиться в твердом, жидком, газообразном, плазменном состояниях. В природе наблюдаются переходы из одного состояния в другое.

Формы движения материи: механическая, тепловая, электромагнитная, ядерная, биологическая, химическая и т.д.

По формам движения материи физика делится на следующие разделы: механика, молекулярная физика и термодинамика, электродинамика, оптика, физика атома и атомного ядра.

§ 1.3 Связь физики с биологией, географией, химией.

Тесная связь физики с другими естественными науками привела к образованию ряда пограничных дисциплин: биофизики, молекулярной биофизики, радиобиологии, биоэнергетики, генетики, геофизики, физической химии, химической физики и т.д.

Биофизика – наука, изучающая действие физических факторов на живой организм.

Задачей молекулярной биофизики является исследование физических и физико-химических свойств и взаимодействие макромолекул и молекулярных комплексов, составляющих живые организмы. Сюда же относятся задачи определения структуры биологических систем на молекулярном уровне, тесно связанные с биохимией, а также процессы превращения и миграции энергии. Наиболее важны для биологии исследования молекул белков и нуклеиновых кислот.

Радиобиология изучает действие ионизирующих излучений на живые организмы.

Биоэнергетика рассматривает вопросы механизма генерации и переноса энергии в живых организмах.

Генетика рассматривает явление наследственности биологических систем.

Геофизика – комплекс физических наук, изучающих физические свойства земного шара в целом и физические процессы, происходящие в его твердой (литосфере), жидкой (гидросфере) и газообразной (атмосфере) оболочках. Геофизика включает физику Земли, гидрофизику и физику атмосферы.

Физическая химия рассматривает суммарно процессы, протекающие с одновременным участием множества частиц.

Химическая физика рассматривает отдельные частицы и взаимодействие между ними, то есть конкретные атомы и молекулы.

Провести четкую границу между этими науками не всегда возможно.

§ 1.4 Физические процессы в организме.

Несмотря на сложность и взаимосвязь различных процессов в организме человека часто среди них можно выделить процессы, близкие к физическим.

Например, такой сложный физиологический процесс, как кровообращение, в своей основе является физическим, т.к. связан с течением жидкости (гидродинамика), распространением упругих колебаний по сосудам (колебания и волны), механической работой сердца (механика), генерацией биопотенциалов (электричество) и т.д.

Дыхание связано с движением газа (аэродинамика), теплоотдачей (термодинамика), испарением (фазовые превращения) и т.д.

В организме кроме физических макропроцессов, как и в неживой природе, имеют место молекулярные процессы, которые в конечном итоге определяют поведение биологических систем и понимание которых необходимо для правильной оценки состояния организма, природы некоторых заболеваний, действия лекарств и т.д.

Характеристики и функции организма соответствуют его размеру. Кролик, увеличенный до размеров слона, не мог бы существовать. Да и люди не могли бы функционировать, если бы они были размерами с мышь.

Биологические свойства организма в значительной степени зависят от его геометрической формы, площади поверхности и объема.

Многие биологические свойства организма зависят от отношения площади поверхности к объему . Это отношение определяется так называемой характеристической длиной организма , т.е.

(1.1)

Для человека L~2 м (его высота), для собаки L~ 1 м, для муравья L~0,5 см.

§ 1.5 Воздействие физических факторов на организм.

Будучи открытой системой организм человека реагирует на изменения внешней обстановки неоднозначно: реакция организма функционально здорового человека на колебания таких эволюционно привычных факторов, как магнитное поле Земли и солнечная активность, не выходит за пределы физиологической нормы и носит адаптивно-компенсаторный характер; у человека с патологиями эти вариации вызывают стресс-реакцию.

В ходе эволюции человек синхронизировал ритмику систем всего организма с внешними геофизическими ритмами, тем самым сформировав в нем своеобразные внутренние «биологические часы».

Известно, что активность Солнца периодически изменяется: в течение суток, во время солнцеоборота (27 суток), в течение сезона, года. Выделяют 5-6 – летние, 11 –летние, 80-90 – летние циклы и т.д.

Очевидно, что максимальный эффект, связанный с колебаниями геомагнитного поля, следует ожидать в тех случаях, когда их частота совпадает с частотой биологического ритма.

На любое тело на поверхности Земли действует результирующая сила гравитационных и инерционных сил, определяемая составляющими:

силой земного тяготения;
силой гравитации со стороны Солнца;
силой гравитации со стороны Луны;
центробежной силой, возникающей за счет обращения Земли вокруг своей оси;
центробежной силой, возникающей за счет вращения Земли вокруг Солнца;
центробежной силой, возникающей за счет вращения пары Земля-Луна.

За исключением силы земного тяготения, все эти составляющие меняются во времени и пространстве.

2, 5, 6 изменяются в результате того, что траектория Земли представляет собой неправильную окружность, а эллипс.

4 зависит от широты, так как скорости на разных широтах земного шара различны.

У животных и человека сердечно-сосудистая система является наиболее гравитационно уязвимой. Изменениям дня и ночи, а также порам года подчиняются жизненные ритмы человека, животных и всей биосферы в целом.

Когда речь идет о лечении человека необходимо также учитывать воздействие физических факторов на его организм.

Так, гипсовая повязка, накладываемая при переломах, является механическим фиксатором положения поврежденных органов. Охлаждение (лед) и нагревание (грелка) с целью лечения основаны на тепловом действии. Электрическое и электромагнитное воздействия широко используются в физиотерапии. С лечебной целью применяют свет видимый и невидимый (ультрафиолетовое и инфракрасное излучения), рентгеновские и гамма-лучи.

§ 1.6 Физические свойства и характеристики окружающей среды.

Живой организм нормально функционирует только благодаря постоянному взаимодействию с окружающей средой.

Он остро реагирует на изменение таких физических характеристик среды, как температура, влажность, давление воздуха и др.

Многие животные способны реагировать даже на малые изменения окружающего нас магнитного поля. Так, например, лесные мыши могут ориентироваться в лесу по направлению магнитного поля. Еще большей чувствительностью к магнитному полю обладают пчелы.

Действие внешней среды на организм человека учитывается не только как пассивный фактор, оно может использоваться для лечения, например, климатотерапия и баротерапия. Таким образом, необходимо уметь оценивать физические свойства и характеристики окружающей среды.

§ 1.7 Кинематика материальной точки. Основные понятия кинематики.

Механика – наука о механическом движении материальных тел и происходящих при этом взаимодействиях между ними.

Под механическим движением понимают изменение с течением времени взаимного положения тел или их частиц в пространстве.

В природе – это движение небесных тел, колебания земной коры, воздушные и морские течения и т.п.

Механика включает кинематику, динамику и статику.

Кинематика – раздел механики, изучающий механическое движение тел без учета причин, которые его вызывают.

Определять положение точки «по отношению к пустому пространству» невозможно и физически бессмысленно. Механическое движение является относительным, так как всегда происходит только как движение относительно другого тела, которое условно принимается за неподвижное. Такое тело называют телом отсчета (обычно это Земля или Солнце).

Для описания движения тел необходимо выбрать так называемую систему отсчета (СО), элементами которой являются (рис. 1.1):

тело отсчета (т. О);
связанная с ним система координат (СК) для отсчета положения тела в пространстве;
часы для отсчета времени.

Рис. 1.1

СО можно выбрать бесконечное множество.

Так как любое реальное тело можно представить как совокупность материальных точек, приведем определение материальной точки.

Материальная точка (м.т.) – это тело, формой, размерами и внутренней структурой которого в условиях данной задачи можно пренебречь.

Таким образом, м.т. – это абстракция, согласно которой реальное тело заменяется объектом, имеющим массу, равную массе тела, но не имеющим геометрических размеров.

Примеры м.т.: Земля, вращающаяся вокруг Солнца ; тело, движущееся по Земле и т.д.

Линия, которую описывает тело (м.т.) при движении, называется траекторией движения. В зависимости от формы траектории различают прямолинейное и криволинейное движение (окружность – частный случай).

Путь – длина траектории между начальным и конечным положениями м.т. (рис. 1.2). Путь – величина скалярная и всегда положительная .

Вектор перемещения показывает, в каком направлении и на какое расстояние переместилась м.т. по отношению к первоначальному положению (рис. 1.2).

Рис. 1.2

При прямолинейном движении в одном направлении путь , при криволинейном – , в общем случае .

§ 1.8 Скорость. Равномерное прямолинейное движение

Для количественной оценки быстроты перемещения вводится понятие скорости.

Рассмотрим сначала равномерное прямолинейное движение – такое движение, при котором м.т. за любые равные промежутки времени совершает одинаковые перемещения (при прямолинейном движении проходит одинаковые пути ).

Скоростью равномерного движения называют физическую величину, численно равную отношению вектора перемещения к промежутку времени , за который это перемещение совершено.

(1.2)

Равномерное прямолинейное движение – движение, при котором скорость с течением времени не меняется, т.е. .

Ориентировочныее значения максимальных скоростей движения некоторых живых существ следующие:

акула –

жираф –

заяц –

ласточка –

пчела со взятком –

слон африканский –

черепаха –

Человеческий волос растет со скоростью . Земля движется вокруг Солнца с линейной скоростью . Электрон в атоме водорода имеет скорость . Скорость распространения раздражения по двигательным и чувствительным нервам – .

Предельная скорость падающего человека , если он летит, расправив ноги и руки так, как это делают парашютисты. Предельная скорость маленьких насекомых примерно несколько метров в секунду. Различие в скоростях определяется отношением площади поверхности к объему. У маленьких животных или насекомых это отношение большое, а потому маленькая. При падении с такой скоростью никаких заметных повреждений не происходит, чего нельзя сказать о случае падения человека даже с небольшой высоты (например, с окна 3 этажа).

Мгновенная скорость м.т. – это скорость в данной точке траектории или в данный момент времени:

(1.3)

Скорость – величина векторная: .

Единица измерения скорости в системе СИ: .

Из (1.2) имеем

(1.4)

Если движение происходит по прямой (рис. 1.3), то проекция вектора перемещения на ось Ох:

или

Из последних двух выражений получим уравнения, определяющие зависимости координаты и радиуса-вектора от времени:

(1.5)

где – координата м.т. в начальный момент времени ;

– координата м.т. в момент времени .

(1.6)

Рис. 1.3

Графики зависимости проекции скорости на ось Х от времени - , координаты от времени для равномерного прямолинейного движения имеют вид (рис. 1.4):

Рис. 1.4

§ 1.9 Ускорение. Равнопеременное прямолинейное движение.

Во время движения скорость тела может изменяться. Количественной оценкой быстроты изменения скорости в механике является ускорение.

Если м.т. за любые равные промежутки времени изменяет свою скорость на одну и ту же величину , движение ее считают равнопеременным. Для такого движения ускорение равно изменению скорости в единицу времени:

(1.7)

Вектор ускорения сонаправлен с вектором изменения скорости :

Мгновенное ускорение определяется, как:

(1.8)

Для равнопеременного движения: .

Графики зависимости проекции ускорения от времени для равноускоренного и равнозамедленного движения имеют вид:

Рис. 1.5

Единица измерения скорости в системе СИ: .

Если в момент времени скорость м.т. , а в момент времени скорость равна , то ускорение определяется по формуле:

Откуда следует формулы:

(1.9)

(1.10)

Графики зависимости проекции скорости от времени для равноускоренного и равнозамедленного движения выглядят следующим образом (рис. 1.6):

Рис. 1.6

Из графиков можно определить ускорение: .

Вектор перемещения:

(1.11)

Из (1.9) и (1.11) можно получить выражение, не содержащее времени:

Координата с течением времени изменяется в случае равнопеременного движения по закону:

(1.12)

Зависимость координаты от времени для равнопеременного движения можно изобразить графически следующим образом (рис. 1.7):

Рис. 1.7

(1.8) – (1.11) – уравнения равнопеременного движения.

Свободное падение – это движение тела в вакууме под действием силы тяжести. Свободное падение является частным случаем равноускоренного движения, для которого (у поверхности Земли). – ускорение свободного падения.

Уравнениями движения в этом случае будут:

(1.13)

(1.14)

(1.15)

(1.16)

§ 1.10 Поступательное и вращательное движение тела.

Поступательным называют движение, при котором прямая, соединяющая две любые точка тела, перемещается параллельно самой себе. При этом все точки тела описывают одинаковые траектории и в любой момент времени имеют одинаковые скорости и ускорения .

Примеры: движение кабины аттракциона колеса обозрения; движение корпуса автомобиля, движущегося по прямой линии, и т.д.

Вращательным называют такое движение твердого тела, при котором все его точки описывают окружности с центрами, лежащими на одной прямой, называемой осью вращения.

Если м.т. за любые равные промежутки времени описывает одинаковые дуги, то мы имеем дело с равномерным (т.е. с постоянной по модулю скоростью) движением по окружности.

Скорость , с которой м.т. движется по окружности, называется линейной скоростью. Модуль линейной скорости определяется отношением проходимого м.т. пути (длина дуги окружности) к соответствующему промежутку времени , т.е.

(1.17)

Рис. 1.8

Но величина линейной скорости будет различной в зависимости от того, как далеко от центра вращения находится м.т.

Чем дальше м.т. находится от оси вращения, тем больше величина ее линейной скорости.

Независимо от положения м.т. на радиусе окружности одинаковыми будут угловые скорости , определяемые отношением угла поворота радиуса окружности к промежутку времени , за который произошел поворот:

(1.18)

Единицей измерения угловой скорости в системе СИ: .

Для равномерного вращения угловая скорость с течением времени не изменяется, т.е. .

Время, в течение которого совершается один полный оборот, называется периодом вращения . Если за время м.т. совершает оборотов, то период

(1.19)

Единицей измерения периода в системе СИ: .

Число оборотов м.т. в единицу времени называется частотой вращения .

(1.20)

Единицей измерения частоты вращения в системе СИ: .

Период и частота связаны друг с другом следующим образом:

(1.21)

Модуль постоянной линейной скорости м.т., движущейся по окружности, вычисляется по формуле:

(1.22)

где – радиус окружности, описываемой м.т.

Модуль угловой скорости:

(1.23)

Угловая скорость нашей Земли .

Изменение направления вектора скорости (он всегда направлен по касательной к окружности) является причиной так называемого центростремительного ускорения , направленного к центру окружности и определяемого так:

(1.24)

Так как наша Земля движется по эллиптической орбите, ее движение неравномерное. Зимой Земля движется быстрее около перигелия, а летом медленнее вблизи апагелия, поэтому солнечные сутки длиннее зимой, а летом короче.