Лекция № 2. Скорость

Физические законы

Физические законы устанавливаются путем обобщения опытных данных, и их правильность проверяется на соответствии выводов из них с опытом. Физические законы выражают объективную внутреннюю связь между физическими явлениями и реально существующие зависимости между физическими величинами.

По большей части содержание физических законов выражается в математической форме как зависимость между численными значениями а и b данных физических величин А и В. Отсюда становится ясной принципиальная важность для установления физических законов измерения физических величин.

Измерить какую-либо физическую величину – значит определенным образом сравнить ее с однородной величиной, принятой за единицу. Например, измерение длины некоторого тела мы производим путем последовательного прикладывания к нему определенного другого тела, длина которого выбрана за единицу длины.

Очевидно, результат измерения никогда не может быть абсолютно точен; степень его точности зависит от развития техники измерения и от той тщательности, с которой измерение произведено. Поэтому результат любого измерения может быть дан лишь в следующем виде: численное значение а данной физической величины заключено между приближенными значениями а₁ и a₂; чем меньше разность Da = a₁ – a₂ по отношению к а, тем точнее оказывается измеренной физическая величина А. Уже из одного этого следует, что устанавливаемые на основании опытов физические закономерности не могут быть абсолютно точными.

Таким образом, физические законы, выражающие в математической форме количественные связи между физическими величинами, не являются абсолютно точными; их точность всегда соответствует уровню развития науки и техники данного времени.

Приближенный характер физических законов не умаляет их объективного значения: физические законы, хотя и не абсолютно точно, но приближенно и относительно верно выражают объективные свойства материи, и степень их точности повышается в процессе познания окружающей нас природы. Наука на каждом данном историческом этапе своего развития дает нам приближенный „снимок" с действительности, но со временем снимки эти улучшаются и полнее и лучше отражают объективные свойства мира, который в своей совокупности остается неисчерпаемым.

Единицы измерения

Выбор единиц измерения может быть произведен произвольно. Исторически их выбор тесно связан с соображениями практического характера: например, такие единицы измерения, как старинная русская единица длины «локоть» или английский «фут» (в переводе с английского – «стопа»), связаны с размерами человеческого тела.

В XVIII столетии французскими учеными была сделана попытка установить «абсолютную» систему, связав единицы измерения с такими объектами, которые не могли бы с течением времени подвергнуться изменениям или быть утерянными. Так, за единицу длины было решено выбрать 1/40 000 000 долю длины меридиана. Однако изготовление такой линейки неминуемо сопряжено с погрешностями. С аналогичными трудностями встретились попытки установить и другие «абсолютные» единицы. Поэтому, начиная с конца прошлого столетия, единицы стали определяться образцовыми (эталонными) телами. Например, единица длины метр определялась как расстояние между двумя черточками на линейке из иридиевой платины, хранящейся в Международном бюро мер и весов. Однако в настоящее время используется в известном смысле «смешанная» система, где часть единиц определяется эталонными телами, а часть – с помощью определенных, воспроизводимых физических явлений. Так, по международной системе единиц (СИ), принятой Международной конференцией в 1960 г., за единицу длины (метр) принимается длина, на которой укладывается 1 650 763,73 длин световых волн оранжевой линии изотопа криптона 86 в пустоте.

Определенный таким образом метр очень близок к старому метру, соответствующему расстоянию между черточками на эталонной линейке. Но по сравнению со старым метром он имеет то преимущество, что не может быть утерян и испорчен; со временем он не будет меняться, как может меняться длина эталонной линейки в результате «старения» материала, из которого она сделана. Всегда можно вновь и вновь сравнить какую-либо длину с длиной световой волны оранжевой линии изотопа 86 криптона.

За единицу массы в международной системе единиц принята масса тела из иридиевой платины, хранящегося в Международном бюро мер и весов и называемого килограммом (сокращенно кг).

За единицу времени принимается время, равное 1/ 31 566 925, 9747 доле тропического года на 1 января 1900 г. Под тропическим годом понимается промежуток времени между двумя последовательными прохождениями Солнца через точку весеннего равноденствия. Таким образом, единица времени связана со временем обращения Земли вокруг Солнца. Эта единица времени носит название секунды.

Для всякой иной физической величины можно было бы установить свои собственные, вообще говоря, произвольно выбранные единицы измерения. Например, для единицы площади можно было бы выбрать площадь любого данного тела, без всякого отношения к уже выбранной единице длины. Однако такой способ выбора единиц был бы весьма неудобен. Поэтому, например, за единицу площади выбирают площадь квадрата с длиной стороны, равной единице длины. Аналогично поступают и с прочими физическими величинами, устанавливая для них единицы измерения на основании закономерных связей, которыми эти величины связаны с теми, единицы измерения для которых уже выбраны.

В международной системе единиц за основные единицы приняты шесть следующих:

единица длины – 1 метр (1 м)

единица массы – 1 килограмм (1 кг)

единица времени – 1 секунда (1 с)

единица температуры – 1 градус Кельвина (1 К)

единица силы тока – 1 ампер (1 А)

единица силы света – 1 свеча (1 св)

Единицы измерения других величин вводятся на основании физических закономерностей, связывающих эти величины с основными.

Можно строить и другие системы, иначе выбирая основные единицы.

Вопросы для самоконтроля:

1. Что изучает наука «физика»?

2. Что необходимо знать о физической величине?

3. Какие единицы физических величин являются основными в СИ?

4. Что выражают физические законы?

5. Что необходимо знать о физическом законе?

Лекция № 2. Скорость

Цель: ввести понятия: «механическое движение», «система отсчета», «закон движения», «скорость»; вывести закон равномерного прямолинейного движения.

Основные понятия:

Кинематика – раздел механики, изучающий движение тел без учета причин его вызывающих.

Механическое движение – изменение взаимного положения тел или их частей в пространстве с течением времени.

Система отсчета – совокупность тела отсчета, связанная с ним система координат и синхронизированные между собой часы.

Материальная точка – тело, размерами которого в данной задаче можно пренебречь.

Траектория – линия, описываемая и пространстве движущейся материальной точкой (телом).

Пройденный путь – скалярная величина, равная сумме длин всех участков траектории, пройденных материальной точкой за рассматриваемый промежуток времени.

Перемещение – вектор, проведенный на начального положения движущейся материальной точки в конечное положение.

Поступательное движение – движение, при котором прямая, соединяющая две любые точки тела, остается при движении параллельной самой себе.

Прямолинейное движение – движение, траектория которого в данной системе отсчета является прямой линией.

Вращательное движение – движение, при котором две точки тела остаются неподвижными.

Средняя скорость – скалярная величина, равная отношению длины участка траектории ко времени, за которое пройден этот участок.

Мгновенная скорость – скорость тела в данный момент времени.

Равномерное движение – движение, при котором скорость остается постоянной по модулю и направлению.