Механика. Лекция 2

КАФЕДРА ОБЩЕЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКИ
МЕХАНИКА
Список литературы:
А.Н. Матвеев. Механика и теория относительности. -М. -1986 г.
Д.В. Сивухин. Общий курс физики. Механика. -Т.1. -М. -1988 г.
Ч. Киттель и др. Берклеевский курс физики. Механика.-М. -1983.
И.Е. Иродов. Основные законы механики.-М. – 1985.
И.В. Савельев. Курс общей физики.-Т.1-2.- М. 1982.
@ ТГУ 2020

КАФЕДРА ОБЩЕЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКИ
МЕХАНИКА
Термины и определения:
Физика (Physis (греч.) – природа) – наука, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие закономерности явлений природы, свойства и строение материи и закономерности ее движения.
Механическое движение – перемещение тел
в пространстве-времени.
Механика – наука о механическом движении тел
Разделы Механики: статика, кинематика, динамика
@ ТГУ 2020

КАФЕДРА ОБЩЕЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКИ
МЕХАНИКА
Физические законы
Физический закон — эмпирически установленная и выраженная в строгой словесной и/или математической формулировке устойчивая связь между повторяющимися явлениями, процессами и исостояниями тел и других материальных объектов в окружающем мире.
Выявление физических закономерностей (повторяемости явлений)
составляет основную задачу физики!
Фундаментальные законы
Частные законы
@ ТГУ 2020

КАФЕДРА ОБЩЕЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКИ
МЕХАНИКА
Физические величины:
Физическая величина — физическое свойство материального объекта, физического явления, процесса, которое может быть охарактеризовано количественно.
Значение физической величины — число, вектор или в самом общем случае тензор, характеризующие эту физическую величину, с указанием единицы измерения, на основе которой эти числа, вектор или тензор были определены.
Размер физической величины —
число (числа), фигурирующие
в значении физической величины.
Размерность физической величины —
единица измерения физической величины.
@ ТГУ 2020

КАФЕДРА ОБЩЕЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКИ
МЕХАНИКА
Процесс познания в физике:
Эксперимент
Теория
Практика
Физика – наука экспериментальная!
@ ТГУ 2020
Как всякую научную работу, и работу в области физики можно разделить на три части: первая — цель и задачи исследования, вторая — методы достижения этой цели и третья — полученные результаты и их значение.

КАФЕДРА ОБЩЕЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКИ
МЕХАНИКА
Способы определения Физических величин:
Из математических соотношений:
V = S / T; a = dv/dt
Из сравнения с Эталоном
Эталон - (франц. etalon) - мера или измерительный прибор, служащий для воспроизведения, хранения и
передачи единиц какой-либо величины.
Эталон, утвержденный в качестве исходного
для страны, называется
Государственным эталоном...
@ ТГУ 2020

КАФЕДРА ОБЩЕЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКИ
МЕХАНИКА
Измерение Физических величин:
Выражение физической величины числом называется Измерением.
Измерение – сравнение физической величины с какой-либо одной, принятой за единицу.
А = ka * ea ;
ea - единица физической величины;
ka - безразмерное число.
@ ТГУ 2020

КАФЕДРА ОБЩЕЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКИ
МЕХАНИКА
Основные Физические величины:
Если Физическая величина определяется из отношения, то ее размерность зависит от размерности основных физических величин
S = k * V * t
Если S и t - основные величины, то размерность V определится из
[V] = [S]/[t] = L1 T-1 = м/c
Если S, L и t все основные величины,
то коэффициент k будет размерным.
[k] = L1 T-1 V-1
Основные единицы определяются из сравнения
с эталоном!
Система единиц СИ: кг, м, с, А, К, Kd.
@ ТГУ 2020

КАФЕДРА ОБЩЕЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКИ
МЕХАНИКА
Эталон массы:
1889 год, Международное бюро мер и весов
1 Кг = масса цилиндра диаметром 39 мм и такой же высоты из платино-иридиевого сплава.
@ ТГУ 2020

КАФЕДРА ОБЩЕЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКИ
МЕХАНИКА
Эталон длины:
Платино-иридиевая мера - 1/4 Земного меридиана = 10001954,5 м
В 1975 году:
1 М = путь, проходимый в вакууме плоской э-м волной
за 1/299792458 долей секунды.
@ ТГУ 2020

КАФЕДРА ОБЩЕЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКИ
@ ТГУ 2020
МЕХАНИКА
Эталон времени:
Тропический год (1956)
1 С = 1/31556925,9747 Тропического года в 1900 г.
С 1967 года.
1 С = 9,192631770 * 109 колебаний излучения между уровнями
сверхтонкой структуры F=4 – F=3 основного состояния атома 133Cs

КАФЕДРА ОБЩЕЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКИ
@ ТГУ 2020
Концепции пространства-времени
Понятия пространства и времени возникли в сознании человека как отображение свойств материальных тел.
Практически вся история физики была противопоставлением двух концепций: самостоятельности пространства-времени и относительности пространства-времени.
1. Субстанциальная концепция:
2. Реляционная концепция:

КАФЕДРА ОБЩЕЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКИ
@ ТГУ 2020
Субстанциальная концепция: пространство и время как самостоятельные сущности, существующие наряду с материей и независимо от нее (Демокрит, Эпикур, Ньютон).
Отношение между пространством, временем и материей представлялось как отношение между двумя самостоятельными субстанциями.
Это приводит к выводу о независимости свойств пространства и времени от характера протекающих материальных процессов.
Пространство здесь — чистая протяженность,
пустое вместилище вещей и событий,
а время — чистая длительность,
оно одинаково по всей Вселенной,
и это течение ни от чего не зависит.
1642-1727
342/341 до н.э.

КАФЕДРА ОБЩЕЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКИ
@ ТГУ 2020
Реляционная концепция: пространство и время не как самостоятельные сущности, а как системы отношений, образуемых взаимодействующими материальными объектами (Аристотель, Лейбниц, Гегель).
Пространства без тел
не бывает, следовательно,
в природе нет пустоты
Теория относительности: пространство и время не существуют без материи, их метрические свойства создаются распределением и взаимодействием материальных масс, т. е. гравитацией.
Го́тфрид Ви́льгельм Ле́йбниц —
саксонский философ, логик,
математик, механик, физик,
юрист, историк, дипломат,
изобретатель и языковед (1646-1716)
Гео́рг Вильге́льм Фри́дрих Ге́гель — немецкий философ, 1770-1831

КАФЕДРА ОБЩЕЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКИ
@ ТГУ 2020
Пространство — это форма бытия материи, характеризующая ее протяженность, структурность, сосуществование и взаимодействие элементов во всех материальных системах.
Понятие пространства (протяженности) имеет смысл постольку, поскольку сама материя дифференцирована, структурирована. Если бы мир не имел сложной структуры,
если бы он не расчленялся на предметы,
а эти предметы — на элементы,
связанные между собой,
то понятие пространства не имело бы смысла.
Реляционная концепция:

КАФЕДРА ОБЩЕЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКИ
@ ТГУ 2020
Время — форма бытия материи, выражающая длительность существования материальных систем, последовательность смены состояний и изменений этих систем в процессе развития.
Материальный мир состоит из структурно расчлененных объектов. Эти объекты находятся в движении, они представляют собой процессы, в них можно выделить определенные качественные состояния, сменяющие одно другое. Сравнение между собой качественно
различных изменений дает нам представление
о времени.
Реляционная концепция:

КАФЕДРА ОБЩЕЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКИ
@ ТГУ 2020
Понятия пространства и времени соотносительны не только с материей, но и друг с другом: в понятии пространства отражаются структурная координация различных объектов в один и тот же момент времени, а в понятии времени — координация длительности сменяющих друг друга объектов и их состояний в одном и том же месте пространства.
Из реляционной концепции пространства и времени вытекает идея качественного многообразия пространственно-временных структур: развитие материи и появление новых форм ее движения должно сопровождаться становлением
качественно специфичных форм пространства и времени. .
Реляционная концепция:

КАФЕДРА ОБЩЕЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКИ
@ ТГУ 2020
Евклидова геометрия (геометрия на плоскости):
Кратчайшее расстояние между двумя точками – прямая;
Сумма углов в треугольнике = 1800
Теорема Пифагора: с2 = а2 + b2
Геометрия Лобачевского (геометрия на псевдосфере)
Сумма углов в треугольнике < 180о
Геометрия Римана (геометрия на сфере)
Кратчайшее расстояние между двумя точками – дуга окружности;
Сумма углов в треугольнике > 1800
с2 ≠ а2 + b2
Геометрия пространства-времени

КАФЕДРА ОБЩЕЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКИ
@ ТГУ 2020
Геометрия пространства-времени
Опыт Лобачевского (1821)
Лобачевский измерил углы треугольника, основание которого совпадало с диаметром земной орбиты, а вершина находилась в месте расположения яркой звезды (Сириуса).

КАФЕДРА ОБЩЕЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКИ
@ ТГУ 2020
Размеры Вселенной :
Микромир:
Размер атома – 10-9 м
Размер ядра – 10-15 м
Элементарные частицы – 10-18 м
Макромир:
Размер вируса – 10-6 м
Размер Земли – 10+6 м
Размер Солнечной системы – 10+12 - 10+15 м
Размер видимой части Вселенной 10+26 м
Классическая физика
Квантовая физика
Нерелятивистская физика
Релятивистская физика

КАФЕДРА ОБЩЕЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКИ
@ ТГУ 2020
Свойства пространства-времени:
Теорема Нетер (1918): Каждой непрерывной симметрии физической системы
соответствует некоторый закон сохранения:
однородности времени соответствует закон сохранения энергии,
однородности пространства соответствует закон сохранения импульса,
изотропии пространства соответствует закон сохранения момента импульса,
1. Однородность пространства – любое явление
во всех точках пространства будет протекать одинаково
(закон сохранения импульса)
2. Однородность времени – любое явление
будет протекать одинаково независимо от того,
когда оно началось (закон сохранения энергии)
3. Изотропность пространства – любое явление
будет протекать одинаково при любом повороте системы координат
(закон сохранения момента импульса)

КАФЕДРА ОБЩЕЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКИ
@ ТГУ 2020
Декартова система координат
r (x,y,z) = i rx + j ry + k rz
rx = r cos α;
ry = r cos β;
rz = r cos γ;
cos2 α + cos2 β = cos2 γ = 1

КАФЕДРА ОБЩЕЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКИ
@ ТГУ 2020
Цилиндрическая система координат
P( ρ,φ,z) x = ρ cos
φ
y = ρ sin φ
z = z

КАФЕДРА ОБЩЕЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКИ
@ ТГУ 2020
Сферическая система координат
P( r,ϑ,φ)
y = ρ cos ϑ cosφ
x = ρ cos ϑ sinφ
z = ρ sin ϑ
ϑ
φ