Несколько вводных замечаний о предмете физики.

Мир, окружающий нас материален: он состоит из вечно существующей и непрерывно движущейся материи.

Материей в широком смысле этого слова называется все, что реально существует в природе и может быть обнаружено человеком посредством органов чувств или с помощью специальных приборов. Конкретные виды материи многообразны. К ним относятся: элементарные частицы (электроны, протоны, нейтроны и др.), совокупности небольшого числа этих частиц (атомы, молекулы, ионы), физические тела (совокупности множества элементарных частиц) и физические поля (гравитационные, электромагнитные и др.), посредством которых взаимодействуют различные материальные частицы.

Неотъемлемым свойством материи является движение, под которым следует понимать все изменения и превращения материи, все процессы, протекающие в природе. В древности слово “физика” означало природоведение. С накоплением знаний природоведение расчленилось на ряд наук: физику, химию, астрономию, геологию, биологию, ботанику и т.д.

Среди этих наук физика занимает особое положение, так как предметом ее изучения служат все основные, наиболее общие, простейшие формы движения материи (механические, тепловые, электромагнитные и т.д.). Изучаемые физикой формы движения присутствуют во всех высших и более сложных формах движения (в химических, биологических процессах и др.) и неотделимы от них, хотя никоим образом их не исчерпывают. Установленному физикой закону сохранения энергии подчиняются все процессы, независимо от того носят ли они специфический химический, биологический или другой характер.

Процесс познания в физике, как и в любой другой науке, начинается либо с наблюдения явлений в естественных условиях, либо со специально поставленных опытов экспериментов. На основе накопленного материала строится предварительное научное предположение о механизме и взаимосвязи явлений создается гипотеза, которая требует проверки и доказательства.

Некоторые гипотезы, ряд следствий из которых противоречит опыту, оказываются ошибочными и отбрасываются при дальнейшем развитии науки (например, гипотезы флогистона, эфира и др.). Другие гипотезы, выдерживающие проверку на опыте и правильно предсказывающие ряд новых, ранее неизвестных явлений, входят в науку в качестве физических теорий. Хорошим примером этого является молекулярно-кинетическая теория.

Дальнейшее накопление знаний приводит к необходимости создания новых гипотез и развития новых теорий. Новая теория не всегда отрицает старую, но чаще всего включает ее в себя как часть, т.е. является более широкой и всеохватывающей.

Разнообразные формы движения материи исследуются различными науками, в том числе и физикой.

Физика изучает наиболее простую и вместе с тем наиболее общую форму движения материи: механические, атомно-молекулярные, гравитационные, электромагнитные, внутриатомные и внутриядерные процессы.

Эти разновидности физической формы движения являются наиболее общими потому, что они содержатся во всех более сложных формах движения материи, изучаемых другими науками.

Можно также сказать, что предмет исследования физики составляют общие закономерности явлений природы.

Развитие физики тесно связано с развитием техники. Крупные физические открытия рано или поздно приводят к техническим переворотам, созданию новых отраслей техники, тесно связанных с физикой. В свою очередь развитие техники дает физикам в руки новые, более совершенные, более мощные методы исследования. Развитие техники и промышленности требует разрешения ряда физических проблем, тесно связанных с дальнейшим техническим прогрессом.

Широкое знание физики является необходимым для специалиста, работающего в любой области науки и техники, желающего осмыслить основы своей области знания, стремящегося принять творческое участие в ее развитии. Задача курса физики, читаемого студентам высшего технического учебного заведения, и заключается в том, чтобы помочь учащимся понять физические основы техники.

Механика

Простейшим видом движения материи является механическое движение.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ: механическое движение – изменение взаимного расположения тел или их частей относительно друг друга в пространстве с течением времени.

В механике изучаются закономерности наиболее простых форм движения тел и причины, вызывающие эти движения. Механика состоит из трех подразделов: кинематики, динамики и статики.

КИНЕМАТИКА – изучает движение тел в пространстве со временем без учета причин, его вызывающих. Она оперирует такими величинами, как перемещение ( ), пройденный путь (s), время (t), скорость движения ( ) и ускорение ( ).

ДИНАМИКА – исследует законы и причины, вызывающие движение тел, т.е. изучает движение материальных тел под действием приложенных к ним сил. К кинематическим величинам добавляются величины: сила ( ) и масса (m) тела.

СТАТИКА – исследует условия равновесия системы тел, на которую воздействуют силы и моменты сил.

2.1. Кинематика. Материальная точка. Система отсчета.

Введем ряд определений.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ: Материальной точкой называется такое тело, размерами и формой которого можно пренебречь в сравнении с размерами других тел или расстояниями до них в условиях данной задачи.

Любое механическое движение относительно. В природе нет абсолютно неподвижных тел, поэтому какое-либо тело условно считают неподвижным и выбирают его за тело отсчета.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ: Тело, которое в условиях данной задачи может быть принято за неподвижное, называется телом отсчета.

Для описания механического движения с телом отсчета связывают систему координат.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ: Совокупность тела отсчета и связанной с ним системы координат называют системой отсчета.

В качестве тела отсчета часто используется Земля или предметы и сооружения, находящиеся на Земле. В качестве системы координат чаще всего используют прямоугольную декартову систему координат XYZ, связанную с какой-либо точкой «О» земной поверхности. Тогда положение материальной точки М в любой момент времени определяется координатами xyz (рис. 2.1).

Замечание: Помимо модели материальной точки, которой пользуются, когда линейные размеры рассматриваемых тел во много раз меньше всех прочих расстояний в данной задаче, или в тех случаях, когда размеры тела хотя и соизмеримы с пройденным расстоянием, но структуру тела, расположение или движение отдельных его частей не стоит учитывать, в ряде случаев используют вторую модель – модель абсолютно твердого тела. Это тело, форма и размеры которого в данной задаче считаются неизменными, т.е. расстояние между двумя любыми произвольно выбранными точками тела может считаться постоянным. Такая модель используется, когда нельзя пренебречь размерами тела, но можно для упрощения пренебречь их изменениями. Абсолютно твердое тело можно считать совокупностью жестко связанных материальных точек. И для изучения такого тела к каждой его части, которую принимают за материальную точку, применяют законы движения материальной точки, а затем результаты суммируют.