Материал: Chast1giper

150

Міністерство освіти і науки україни Запорізький національний технічний університет лекції з фізики

МЕХАНІКА

МОЛЕКУЛЯРНА ФІЗИКА

ЕЛЕКТРОДИНАМІКА

Укладач: доц. каф. фізики ЗНТУ Манько В.К.

ЗМІСТ

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ 1

Запорізький національний технічний університет 1

ЛЕКЦІЇ З ФІЗИКИ 1

1 Вступ

1.1 Предмет і задачі фізики

Предметом вивчення фізики являється оточуючий нас матеріальний світ.

Фізика вивчає:

а) загальні закони руху (зміни) матерії, які не вивчають інші природничі науки. Наприклад, закон збереження імпульсу, закон збереження енергії. Вона вивчає такі види руху матерії: механічний, тепловий, електромагнітний, оптичний, атомний і ядерний;

б) внутрішню будову тіл і зв’язок властивостей тіл з їх внутрішньою структурою. Наприклад, електропровідність, твердість, магнітні властивості і т.д. Цими питаннями займається молекулярна фізика, атомна і ядерна фізика, фізика твердого тіла;

в) можливості практичного використання явищ, законів, властивостей тіл. Це технічна фізика.

1.2 Поняття про вимірювання. Інтернаціональна система одиниць вимірювання (сі)

Вимірювання – це процес порівняння фізичної величини з відповідним їй еталоном, який називається одиницею вимірювання цієї фізичної величини.

Основні одиниці вимірювання встановлюються міжнародними угодами. Інші одиниці, які виражаються через них називаються неосновними. Сукупність основних і неосновних одиниць вимірювання складають систему одиниць. До інтернаціональної системи (СІ) відносяться 7 основних одиниць і 2 додаткові.

Основні одиниці:

а) метер (м) – одиниця довжини, дорівнює 1 650 763,73 довжин хвиль випромінювання, яке виникає про переході електрона між рівнями 2р₁₀ і 5d₅ атома криптона-86;

б) кілограм (кг) – одиниця маси, дорівнює масі міжнародного прототипу кілограма;

в) секунда (с) – одиниця часу, дорівнює 9 192 631 770 періодам випромінювання, яке виникає при електронному переході між двома надтонкими рівнями основного стану атома цезія-133;

г) Ампер (А) – одиниця сили струму, дорівнює силі постійного струму, який при проходженні по двом паралельним прямолінійним провідникам нескінченної довжини і мізерною площею перерізу, які розміщені у вакуумі на відстані 1 м один від другого, викликає на відрізку провідника довжиною 1 м силу взаємодії 210^-7 Н;

д) Кельвін (К) – одиниця термодинамічної температури, дорівнює 1/273,16 частини термодинамічної температури потрійної точки води;

е) моль (моль) – одиниця кількості речовини, дорівнює кількості речовини, що містить стільки ж структурних елементів, скільки атомів містить 0,012 кг вуглецю-12 (~ 6,02∙10²³);.

ж) кандела (кд) – одиниця сили світла, дорівнює силі світла, яке випромінюється з площі 1/600 000 м² в перпендикулярному напрямку при температурі затвердіння платини при тискові 101 325 Па.

Додаткові одиниці:

а) радіан (рад) – одиниця плоского кута, дорівнює куту між двома радіусами кола, довжина дуги між яким дорівнює радіусу;

б) стерадіан (ср) – одиниця просторового кута, дорівнює просторовому куту с вершиною в центрі сфери, який вирізає на її поверхні площу, рівну площі квадрата із стороною, яка дорівнює радіусу сфери.

Означення основних, додаткових і похідних одиниць інтернаціональної системи можна знайти в книзі А.Г.Чертов. Единицы физических величин. - М. ”Высшая школа“, 1977.

2 Механіка. Кінематика

Механіка – це розділ фізики, який вивчає різні види механічного руху тіл, не виясняючи його причини (кінематика); причину руху тіл (динаміка); умови відносного спокою (статика).

2.1 Основні поняття і задача кінематики

Механічний рух – переміщення тіла у просторі й часі відносно

інших тіл, які вважаються нерухомими.

Система відліку – це сукупність тіл і зв’язана з ними система координат, відносно яких вивчається рух тіл.

Початок відліку – момент часу, з якого вивчається рух тіл.

Матеріальна точка – тіло, розмірами якого можна знехтувати порівняно з відстанню, яке воно проходить при своєму рухові, а всю масу тіла вважати сконцентрованою в його центрі мас.

Траєкторія – сукупність точок простору, які послідовно проходить тіло при своєму русі, або простіше це слід тіла у просторі.

Шлях (S) – відстань між початковим і кінцевим положенням тіла, виміряна по траєкторії, тобто це довжина траєкторії. Шлях – величина скалярна.

Переміщення () – відрізок прямої, який з’єднує початкове і кінцеве положення тіла. Це векторна величина, яка вказує напрямок руху тіла і співпадає із шляхом тільки у випадку прямолінійної траєкторії.

Задача кінематики – визначити положення тіла (його координати) і швидкість руху в будь-який момент часу.

2.2 Класифікація механічного руху

По формі траєкторії механічний рух буває прямолінійний і криволінійний, по швидкості – рівномірний і нерівномірний. Для тіл, які не можна вважати матеріальними точками, рух буває поступальний і обертальний. При поступальному русі будь-яка пряма, проведена через дві точки тіла, залишається паралельною сама собі. При обертальному русі всі точки тіла описують концентричні кола, центри яких лежать на одній прямій, яка називається віссю обертання.

2.3 Способи задавання руху точки у просторі

Є три способи задавання положення і руху точки у просторі: звичайний, векторний і координатний.

При звичайному (траєкторному) способі повинно бути відомо: траєкторія; начало відліку, тобто дугова координата S(0) точки А в початковий момент часу; напрямок руху по траєкторії від початкового положення; дугова координата S(t) точки В, яка вимірюється довжиною траєкторії від початкової точки до положення тіла в будь-який момент часу, тобто повинна бути відома функція S = S(t).

Наприклад, S(t) = 10 + 2t -3t² + 5t³ (м).

При векторному способі положення точки задається кінцем радіус-вектора , проведеним із деякого центра О. Повинно бути відомо: 1) положення полюса О; 2) Векторна функція часу , яка називається векторним законом руху тіла.

Наприклад, , (2.1)

де - одиничні вектори (орти) вздовж координатних осей X, Y, Z відповідно.

При координатному способі повинні бути заданими: система координат X, Y, Z; функції часу: x(t), y(t), z(t). Наприклад,

x(t) = 4t (м); y(t) = -7t² (м); z(t) = 2t³ (м).

Всі способи взаємозв’язані. Найпростішим є зв’язок двох останніх. Якщо помножити координатні функції на відповідні орти і додати, одержимо векторну функцію (2.1) для .

2.4 Швидкість при криволінійному русі

Нехай точка рухається вздовж деякої кривої лінії. Положення точки будемо задавати звичайним і векторним способами. В момент часу t точка знаходиться в положенні А. Її криволінійна координата S(t), а радіус-вектор . В момент часу (t +∆t) точка займе положення В з криволінійною координатою S(t +∆t) і радіусом

Рисунок.2.1 вектором . Шлях ∆S,

який пройшла точка за час ∆t дорівнює різниці криволінійних координат: ∆S = S(t +∆t) - S(t), а переміщення (рис.2.1).

За означенням, модуль миттєвої (в даний момент часу) швидкості є границя відношення шляху ∆S до проміжку часу ∆t, за який цей шлях пройдено, при умові, що проміжок часу зменшується до нуля, тобто першій похідній за часом від криволінійної координати

. (2.2)

Швидкість величина векторна. Напрямок швидкості співпадає з граничним положенням вектора переміщення . Як видно з рис.2.1, при зменшенні часу ∆t до нуля точка В наближається до точки А, а вектор переміщення повертається навколо точки А і в граничний момент співпадає з дотичною до траєкторії. Вектор швидкості

(2.3)

дорівнює першій похідній за часом від радіус-вектора положення точки. Вводячи одиничний вектор дотичної , можна записати

. (2.4)

В інтернаціональній системі одиниць швидкість вимірюється в м/с.

2.5 Прискорення при криволінійному русі. Дотична та нормальна складові прискорення

У загальному випадку при криволінійному русі змінюється як величина швидкості так і її напрямок. Мірою зміни швидкості з часом є прискорення . Це границя відношення вектора зміни швидкості до проміжку часу ∆t, за який ця зміна відбулася, при умові зменшення ∆t до нуля , (2.5)