- •ВВЕДЕНИЕ
- •МОДУЛЬ I: ОСНОВЫ МЕХАНИКИ
- •1. Механическое движение
- •1.1. Движение материальной точки
- •1.1.1. Скорость
- •1.1.2. Ускорение
- •1.1.3. Движение по окружности
- •1.1.4. Равномерное движение
- •1.1.6. Равноускоренное движение
- •1.2. Движение твердого тела
- •1.3. Динамика материальной точки
- •1.3.1. Первый закон Ньютона
- •1.3.2. Второй закон Ньютона
- •1.3.3. Третий закон Ньютона
- •1.4. Движение системы тел
- •1.4.1. Закон изменения и сохранения импульса системы тел
- •1.4.2. Центр инерции и центр масс системы тел
- •1.4.3. Уравнение движения центра масс
- •1.4.4. Движение тела переменной массы
- •1.5. Силовое поле
- •1.5.1. Центральное и однородное силовые поля
- •1.5.2. Энергия. Работа сил поля. Мощность
- •1.5.4. Кинетическая энергия
- •1.5.5. Потенциальная энергия
- •1.5.6. Закон измнения и сохранения механической энергии системы тел
- •1.5.7. Потенциальная кривая
- •1.5.8. Соударение тел
- •1.6. Неинерциальные системы отсчета
- •1.6.1. Силы инерции
- •1.6.2. Принцип эквивалентности
- •1.6.3. Сила тяжести и вес
- •1.7. Элементы теории относительности
- •1.7.1. Постулаты Эйнштейна
- •1.7.2. Преобразования Лоренца
- •1.7.3. Относительность одновременности событий
- •1.7.4. Относительность длин
- •1.7.5. Пространственно-временной интервал
- •1.7.6. Релятивистский закон сложения скоростей
- •1.7.7. Релятивистская масса
- •1.7.8. Основной закон релятивисткой механики
- •1.7.9. Связь массы, импульса и энергии в релятивистской механике
- •1.8. Динамика твердого тела
- •1.8.1. Момент силы
- •1.8.2. Момент пары сил
- •1.8.3. Момент импульса и момент инерции материальной точки
- •1.8.4. Момент инерции твердого тела
- •1.8.5. Свободные оси вращения. Главные оси инерции
- •1.8.6. Тензор инерции тела
- •1.8.7. Работа, совершаемая при вращательном движении
- •1.8.8. Кинетическая энергия вращающегося тела
- •1.8.9. Основной закон динамики вращательного движения
- •1.8.10. Уравнение моментов
- •1.8.12. Гироскопы
- •1.9. Элементы динамики сплошных сред
- •1.9.1. Неразрывность струи
- •1.9.2. Уравнение Бернулли
- •1.9.3. Движение тел в жидкостях и газах
- •МОДУЛЬ II: КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ
- •2. Механические колебания
- •2.1. Гармонические колебания
- •2.1.1. Характеристики и график гармонических колебаний
- •2.1.2. Метод векторных диаграмм (вращающихся амплитуд)
- •2.1.3. Сложение колебаний
- •2.1.4. Скорость и ускорение при гармонических колебаниях
- •2.1.5. Дифференциальное уравнение свободных гармонических колебаний
- •2.1.6. Маятники
- •2.1.7. Энергия гармонического осциллятора
- •2.1.8. Затухающие колебания
- •2.1.9. Вынужденные колебания. Резонанс
- •2.2. Волны
- •2.2.1. Уравнение плоской бегущей волны
- •2.2.2. Волновое уравнение
- •2.2.3. Энергия волны
- •2.2.4. Интерференция волн
- •2.2.5. Эффект Доплера
Министерство образования и науки Российской Федерации Сибирский федеральный университет
ФИЗИКА
Механика
Учебно-методическое пособие
Электронное издание
Красноярск
СФУ
2012
УДК 531(07) ББК 22.3я73 Ф503
Составители: МаторинЕвгений Евдокимович Иванова Наталья Борисовна
Ф503 Физика. Механика: учеб.-метод. пособие [Электронный ресурс] / сост. Е.Е. Маторин, Н.Б. Иванова. – Электрон.дан. – Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2012. – Систем.требования: PC не ниже класса Pentium I; 128 Mb RAM; Windows 98/XP/7; AdobeReader V8.0 и выше. – Загл. с экрана.
В учебно-методическом пособии представлены основные положения по курсу физики (Ч.1, Механика). Курс лекций систематизирован в форме, удобной для самостоятельного изучения студентами технических специальностей. Подробно рассмотрены вопросы, наиболее трудные для понимания. Даны отдельные примеры применения теоретических сведений к решению конкретных задач по механике.
Предназначено для студентов очного отделения, специальностей 140100.62 «Теплоэнергетика и теплотехника», 140400.62 «Электроэнергетика и электротехника», 150100.62 «Материаловедение и технология материалов», 150700.62 «Машиностроение», 151000.62 «Технологические машины и оборудование», 151600.62 «Прикладная механика», 151900.62 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств», 190100.62 и 190109.65 «Наземные транспортно-технологические комплексы и средства», 190401.65 «Эксплуатация железных дорог», 190600.62 «Эксплуатация транс- портно-технологических машин и комплексов», 190700.62 «Технология транспортных процессов», 140700.62 «Ядерная энергетика и теплофизика», 162107.65 «Техническая эксплуатация транспортного радиооборудования», 210400.62 «Радиотехника», 210601.65 «Радиоэлектронные системы и комплексы», 223200.62 «Техническая физика», 131000.62 «Нефтегазовое дело», 190110.65 «Транспортные средства специального назначения», 280705.65 «Пожарная безопасность».
УДК 531(07) ББК 22.3я73 © Сибирский федеральный
университет, 2012
Учебное издание
Подготовлено к публикации редакционно-издательским отделом БИК СФУ
Подписано в свет 27.11.2012 г. Заказ 10723. Тиражируется на машиночитаемых носителях.
Редакционно-издательский отдел Библиотечно-издательского комплекса Сибирского федерального университета 660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 79
Тел/факс (391)206-21-49. E-mail rio@sfu-kras.ru http://rio.sfu-kras.ru
3
ВВЕДЕНИЕ
Среди многих наук о природе и происходящих вокруг нас явлениях физика выделяется тем, что изучает наиболее фундаментальные, основные формы движения материи и соответствующие им наиболее общие законы. Изучаемые физикой формы движения материи (механическая, тепловая, электромагнитная и т. д.) являются наиболее простыми и составляют основу для других, сколь угодно сложных видов движения, изучаемых другими науками (химией, биологией и др.). Часть вопросов, поднимаемых физикой, например, таких как происхождение Вселенной или борьба хаоса и порядка сближают ее с философией. Отсюда важность физики – основы современного естествознания.
Накопление и осмысление знаний, составляющих современную физику, далось человечеству очень непросто. История развития физики весьма драматична и совсем не похожа на прямую дорогу. Проблемы, встающие на пути познания, как в прошлом, так и сейчас, порой являются очень сложными, и двигателем для их преодоления являются не только свойственные человеку пытливость и любознательность, но, в первую очередь, потребности технического прогресса. Так, перед древними греками в первую очередь стояла задача создания сельскохозяйственных и военных машин, что привело к созданию основ механики. Среди задач сегодняшнего дня одними из важнейших являются проблемы энерго- и ресурсосбережения, развитие промышленности на основе высоких технологий. Решать эти задачи придется вам – сегодняшним студентам технических ВУЗов. И во многом ваш успех будет предопределен знанием физики, поскольку современная техника и индустрия немыслимы в отрыве от нее.
В своей основе физика, в отличие, например, от математики, базируется на опыте. Все установленные физические законы, теории почерпнуты из наблюдений и экспериментов. Даже ―чистые теории‖ в своих истоках всѐ же базируются, хотя бы косвенно, на опыте. Критерием верности теории является опыт: если выводы теории противоречат ему, то теория явно не верна; если выводы теории согласуются с опытом, то это служит еѐ подтверждением. Появление экспериментальных данных, не укладывающихся в рамки теории, приводит к ее пересмотру или замене этой теории новой.
Физика – наука точная. Язык физики – это язык математических уравнений, являющихся приближѐнным отражением действительных явлений.
4
Изучая физику, мы будем иметь дело с физическими величинами. Определением физической величины называют соотношение, в котором подчѐркивается еѐ основная особенность и даѐтся способ определить еѐ численное значение.
Законом называют почерпнутый из опытов факт, справедливый для большого круга явлений. Физический закон устанавливает связь между физическими величинами.
Физические величины являются наблюдаемыми и могут быть измерены. Для этого необходимо сравнивать их с соответствующими эталонами. Необходимо ввести систему единиц, в которой определяются основные единицы физических величин, а на их базе строятся другие, производные единицы. В настоящее время общепринятой является Международная Система единиц (СИ) (System International – SI).
Основные единицы:
Метр (м) – длина пути, проходимого светом в вакууме за 1/29979246 c. Килограмм (кг) – масса, равная массе международного прототипа кило-
грамма (платиноиридиевого цилиндра, хранящегося в Международном бюро мер и весов во Франции).
Секунда (с) – время, равное 9192631770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.
Ампер (А) – сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м один от другого, создает между ними силу взаимодействия, равную 2∙10-7 Н на метр длины.
Кельвин (К) – 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды.
Моль (моль) – количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько атомов содержится в нуклеиде 12С массой
0,012 кг.
Кандела (кд) – сила света, испускаемого в заданном направлении источником монохроматического излучения частотой 540∙1012 Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср.
Дополнительные единицы:
Радиан (рад) – угол между двумя радиусами окружности, длина дуги между которыми равна радиусу.