лекция 1 Введение. Кинематика материальной точки

ВВЕДЕНИЕ
Круг вопросов, изучаемых физикой чрезвычайно широк – от процессов, происходящих в микромире до теории «Большого взрыва», сценарий которого представлен следующей иллюстрациуй и в таблице.

1922 — советский математик Ал. Ал. Фридман нашёл нестационарные решения гравитационного уравнения Эйнштейна и предсказал расширение Вселенной в результате Большого взрыва.
1948 — выходит работа Г. А. Гамова о "горячей
вселенной", построенная на теории расширяющейся
после Большого взрыва вселенной Фридмана. Гамов
предположил, что первичное вещество было не только
очень плотным, но и очень горячим, в нем происходили
ядерные реакции, и за несколько минут были синтези-
рованы лёгкие химические элементы. Самым эффектным
результатом этой теории стало предсказание космического фона излуче-ния. Электромагнитное излучение должно было, по законам термодинами-ки, существовать вместе с горячим веществом в "горячую" эпоху ранней Вселенной и сохраняется только сильно охлаждённым - и до сих пор. В 1950 году Гамов нашел эту температуру 3 К. 1964 американские радиоаст-рономы А. Пензиас и Р. Вилсон открыли космический фон реликтового излучения и измерили его температуру: она оказалась равной 3 К!

Состав Вселенной
Согласно космологическим теориям современности, наша Вселенная состоит всего из 5% обычной, так называемой барионной материи, которая образует все наблюдаемые объекты; 25% темной материи, регистрируемой благодаря гравитации; и темной энергии, составляющей целых 70% от общего объема.
Гравитационные волны открыты!
После полувека поисков открыты гравитационные волны, колебания самого пространства-времени, предсказанные Эйнштейном сто лет назад. 14 сентября 2015 года обновленная обсерватория LIGO зарегистрировала гравитационно-волновой всплеск, порожденный слиянием двух черных дыр с массами 29 и 36 солнечных масс в далекой галактике на расстоянии примерно 1,3 млрд световых лет. Гравитационно-волновая астрономия стала полноправным разделом физики; она открыла нам новый способ наблюдать за Вселенной и позволит изучать недоступные ранее эффекты сильной гравитации.

Проблемы управляемого термоядерного синтеза
21 ноября 2006 года в Париже ЕС, Китай, Россия, США, Южная Корея и Япония подписали международное соглашение о создании Интернационального Термоядерного Экспериментального Ядерного Реактора (ИТЭР), 14 октября 2007 года было начато его строитель-ство в Кадараше (под Ниццей, Франция). Главная задача ИТЭР, - достичь момента «зажигания», когда начнется самоподдерживаю-щееся горение плазмы, а системы внешнего нагрева плазмы можно будет отключить. Это должно произойти предположительно в 2025 году при длительность реакции порядка 400 сек и мощности ядерного синтеза от 300-500 МВт. Создание первого энергетического реактора возможно к 2040 г.

Проблемы управляемого термоядерного синтеза
Высота плазменной камеры 3 около 8 метров, ее поперечник – около 4 метров. Тороидальное магнитное поле, создаваемое сверхпроводящими катушками 1, должно достигать на оси камеры 6 Тл, полный плазменный ток – 18 МА. Первичная обмотка трансформатора 4 и обмотки тороидального поля 2 также являются сверхпроводящими. Это принципиально позволяет получать импульс термоядерного горения длительностью 400–1000 секунд. Мощность термоядер-ного горения должна достичь при этом 500 МВт, что уже превысит полный уровень энергозатрат на его поддержание. Для изучения процессов наработки трития и утилизации энергии быстрых нейтронов в ИТЭРе будут установлены различные варианты бланкетных модулей 5. От прямого плазменного воздействия они будут защищены пластинами бериллия.
Задача управляемого термоядерного синтеза
будет обязательно будет решена, когда
термоядерная энергия будет совершенно
необходима человечеству
Академик Л. А. Арцимович

Проблемы управляемого термоядерного синтеза
Дейтериево-тритиевая (ДТ) энергетика почти не ограничена ресурсами. Литий, который необходим для получения трития – элемент, широко распространенный в природе, а запасы дейтерия практически безграничны. ДТ-энергетика, по современным оценкам, будет безопасней примерно на два порядка энергетики деления урана, главным образом, за счет того, что в ней должны отсутствовать газообразные и жидкие радиоактивные отходы, а твердые, по мнению экспертов, не представляют большой опасности. Наконец, термоядерная энергетика практически безынерционна, поэтому ситуации типа чернобыльской в ней исключены.
Инерциальный термоядерный синтез (ICF) с помощью лазеров
Научный комплекс находится в Ливерморской национальной лаборатории Научный комплекс находится в Ливерморской национальной лаборатории в городе Ливермор (штат Калифорния, США). В августе 2021 года, проекту удалось продемонстрировать термоядерную реакцию, выделившую 70% от входной энергии лазерной установки мощностью 500ТВт.

Космический телескоп Хаббл
24 апреля 1990-го года, шаттл Дискавери вывел телескоп на орбиту. К этому моменту на Хаббл потратили 2,5 миллиарда долларов. В настоящее время расходы приближаются к десяти миллиардам. Параметры: длина — 13,1 м, диаметр — 4,2 м, размах солнечных батарей — 12 м, масса — 11,3 т, диаметр главного зеркала телескопа-рефлектора — 2,4 м.

Новый космический телескоп Джеймс Вебб

ВВЕДЕНИЕ

Состав Вселенной
Согласно космологическим теориям современности, наша Вселенная состоит всего из 5% обычной, так называемой барионной материи, которая образует все наблюдаемые объекты; 25% темной материи, регистрируемой благодаря гравитации; и темной энергии, составляющей 70% от общего объема.
Большой адронный коллайдер (БАК)
гигантский замкнутый туннель длиной 27 км, построенный под землей на границе Франции и Швейцарии, на глубине от 50 до 175 метров. В ускорителе протоны разгоняются до энергии 7 ТэВ на протон, так что полная энергия в системе центра масс двух сталкивающихся протонов равна 14 ТэВ. Проектная мощность достигнута в 2009 г. 4 июля 2012 г. на БАК открыт бозон Хиггса.

ВВЕДЕНИЕ
Достижения физики последних лет наглядно иллюстрируются следующими примерами.
Графен
Представьте себе углеродную пластину толщиной всего в один атом, но более прочную, чем алмаз, и пропускающую электричество в 100 раз лучше, чем кремний компьютерных чипов. — Графен — самый тонкий и самый прочный материал во вселенной, — заявил 19 июня английский физик Андре Гейм (Andre Geim) из Университета Манчестера.

ВВЕДЕНИЕ
За «передовые опыты с двумерным материалом графеном» А. К. ГеймуЗа «передовые опыты с двумерным материалом графеном» А. К. Гейму и К. С. НовосёловуЗа «передовые опыты с двумерным материалом графеном» А. К. Гейму и К. С. Новосёлову была присуждена Нобелевская премияЗа «передовые опыты с двумерным материалом графеном» А. К. Гейму и К. С. Новосёлову была присуждена Нобелевская премия по физикеЗа «передовые опыты с двумерным материалом графеном» А. К. Гейму и К. С. Новосёлову была присуждена Нобелевская премия по физике за 2010 год

I.Механика. Кинематика
Механика – раздел физики, изучающий простейшую форму движения материи – механическую, т.е. изменение положения тела в пространстве и во времени. Обычная или классическая механика справедлива для малых скоростей << и макроскопических размеров. Для скоростей сравнимых со скоростью света с используется механика СТО, а для микромира – квантовая механика, которые в пределе переходят в классическую механику. Механика делится на кинематику, динамику и статику.
Кинематика изучает движение тел без учета действия сил (причин его вызывающих).
Динамика изучает движение тел под действием сил.
Статика изучает равновесие тел под действием сил.
Кинематика материальной точки
Материальная точка – тело, размерами которого в данных условиях можно пренебречь. Двигаясь в пространстве тело описывает некоторую кривую, называемую траекторией. В зависимости от ее формы движение бывает прямолинейным, криволинейным, по окружности и т.д. Для описания движения используется радиус-вектор, соединяющий в данный момент точку на траектории с началом координат.

I.Механика. Кинематика
Рис.1
Пусть в начальный момент времени t1 материальная точка нахо-дится на траектории в положении 1, а в момент времени t2 – в положении 2 (рис.2). Путь – длина участка 12 вдоль траектории, пройденного телом за рассматриваемый промежуток времени. – неубывающая положительная скалярная величина. Перемещением называется вектор, соединяющий точки 1 и 2 траектории:

I.Механика. Кинематика
Рис.2
Для характеристики движения на участке 12 вводится средняя скорость

I.Механика. Кинематика
При неравномерном движении средняя скорость постоянно меня-ется, поэтому вводят мгновенную скорость или просто скорость. Она определяется как предел средней скорости при
При модуль перемещения стремится к соответст-вующей длине пути, поэтому модуль или величина скорости
.
Обратное соотношение имеет вид .

I.Механика. Кинематика
Скорость в данной точке направлена по касательной к траектории
,
где - единичный вектор, определяющий направление касательной в данной точке траектории.
Для определения пройденного пути на конечном участке 12 траекто-рии его необходимо разбить на отрезки
В пределе при получим .

I.Механика. Кинематика
Ускорение – быстрота изменения скорости. Среднее значение ус-
корения равно ,
а мгновенное ускорение или просто ускорение
Обратное соотношение имеет вид
Используя связь между и , можно получить закон движения
или x(t), y(t), z(t). При равнопеременном движении с
постоянным ускорением ax вдоль оси x получим: