Д.В. Сивухин - Общий курс физики (механика), страница 2

Лекционные демонстрации, как очень важная и неотъемлемая часть лекционного курса, дают необходимый опытный материал, на основе которого вводятся физические понятия и обобщения, формулируются и уясняются физические законы и принципы. Кроме того, они оживляют читаемый курс и придают ему эстетическую привлекательность. В книге изложение носит несколько иной характер. Много демонстраций опущено, а описание остальных дано схематично без указания технических и экспериментальных подробностей. На первый план выступает логическая сторона предмета.

Главное внимание обращается нз выяснение физического смысла и содержания основных положений и понятий физики. Много внимания уделяется установлению границ применимости физических законов, а также идеализированных моделей и схем, применяемых в физике.

1о пгклисловив В предлагаемом томе курса физики дано систематическое изложение физических основ классической нерелятивистской механики. Однако излагать физические основы механики без всякой связи с другими разделами физики невозможно. Поэтому уже в первом томе дается некоторое представление об идеях теории относительности и квантовой механики. Без этого невозможно точно установить границы применимости классической нерелятивистской механики. Необходимые сведения из квантовой механики даны кратко без какого бы то ни было обоснования и обсуждения.

О релятивистской механике или механике теории относительности говорится более подробно. В основу изложения положена зависимость массы от скорости, рассматриваемая как экспериментальный факт. Этого достаточно не только для качественного рассмотрения, но и для количественного решения простейших задач, примеры которых приводятся в книге. Однако систематическое изложение вопросов релятивистской и квантовой механики будет дано в других томах курса — после изложения электрических и оптических явлений, В следующих томах курса предполагается изложить термодинамику и молекулярную физику, электричество, оптику, атомную и ядерную физику. Основной системой единиц, принятой в курсе, является система СГС. В механике она по существу не отличается от Международной системы единиц СИ. Различие между ними здесь чисто количественное и сводится к различному выбору масштабов единиц длины и массы (вместо сантиметра (в системе СГС) в системе СИ используется метр, вместо грамма — килограмм).

Это не сказывается на смысле физических понятий и виде физических формул, а потому в механике обе системы одинаково удобны. Не так обстоит дело в электродинамике. В системе СИ электрическое состояние вакуума характеризуется четырьмя векторами: напряженностью электрического поля Е и электрическим смещением Р, напряженностью Н и магнитной индукцией В магнитного поля. Это с физической точки зрения является ненужным и противоестественным усложнением. В системе СГС для характеристики вакуума достаточно двух векторов. Все четыре вектора Е, В, Н, Ю в системе СГС имеют одинаковую размерность, в системе СИ их размерности разные.

Это также противоестественно, поскольку электрическое и магнитное поле тесно связаны между собой. В наиболее общем виде связь между этими векторами устанавливается в релятивистской электродинамике. Она объединяет векторы Е и В, а также Н и В в четырехмерные анти- симметричные тензоры. При составлении таких тензоров в системе СИ надо вводить специальные размерные множители для уравнивания размерностей их компонентов.

Это также ненужное усложнение. Можно указать только одно преимущество системы СИ по сравнению с системой СГС. В систему СИ органически входят ампер, вольт, ом и все производные этих единиц, получившие благодаря историческим случайностям широкое распространение в элек- пРедислОВие тротехнике.

Это преимущество практическое, но не принципиальное. Однако чисто измерительные вопросы будут занимать в настоящем курсе ничтожное место. Ради них нет смысла приносить в жертву стройность и логичность физических понятий и формул, которыми характеризуется система СГС. Появление настоящего курса было бы невозможно, если бы профессор Г. С. Горелик, возглавлявший кафедру физики Московского физико-технического института, не привлек автора к чтению лекций по общему курсу физики, Автор обсуждал с ним различные вопросы физики и ее преподавания, Демонстрации для лекций готовили и осуществляли мои ассистенты М. И.

Маклаков, В, А. Кузнецова, Е. Н, Морозов, В. П. Молчанов, Л. Д, Кудряшева, Г. Н, Фрейберг, Хотя далеко не все из этих демонстраций описаны в курсе, все они дали ценный материал, использованный при его написании. Значительная часть задач, включенных в курс, предлагалась студентам на письменных экзаменах, а затем использовалась на семинарских занятиях.

В их составлении принимали участие многие преподаватели кафедры физики МФТИ. Рукопись настоящего тома была частично просмотрена академиком В. Л. Гинзбургом, Б. Б. Кадомцевым, М. А. Леонтовичем, Р. 3. Сагдеевым; профессорами С. С. Герштейном и Н. А. Яковлевым. Она подверглась внимательному рецензированию и обсуждению на кафедре общей физики для механико-математического факультета Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова, возглавлявшейся профессором С. П. Стрелковым.

Доброжелательная критика, советы и пожелания всех лиц, упомянутых в настоящем предисловии, немало способствовали улучшению книги. Всем им автор выражает глубокую благодарность. ВВЕДЕНИЕ 1. При изучении всякого круга явлений очень важно установить основные законы или принципы, с помощью которых можно объяснить все известные явления из рассматриваемого круга, а также предсказать новые. Такой подход к изучению явлений природы получил название метода принципов. Основоположником его в физике является великий Исаак Ньютон 1'1643 — 1727). Непревзойденным мастером метода принципов был и великий физик Альберт Эйнштейн (1879 — 1955).

Сими основные законы или принципы не могут быть доказаны логически. Ох доказательством является опыт. Основное значение имеют не столько опыты по непосредственной проверке самих принципов, сколько опыты, на которых проверяются вытекаюшие вз них следствия. В этом смысле основные принципы являются обобщениями опытных фактов. Но никакие опыты никогда не охватывают все разнообразие условий, в которых могут протекать явления, а измерения всегда сопровождаются погрешностями. Поэтому опытным путем 1а другого пути нет) можно установить справедливость пригщипов лишь в ограниченных пределах и с ограниченной точн<ктью, При расширении круга изучаемых явлений и повышения точности измерений могут расшириться и эти пределы. Но может случиться, что вне определенных границ основные принципы перестанут быть справедливыми.

Тогда возникнет необходимость в их обобщении или замене новыми принципами, имею- шими более широкую область применимости. Старые принципы при этом не утратят своего значения, Но ими можно будет пользоваться только внутри установленной области применимости. Сила и привлекательность метода принципов в том, что весь материал, полученный из основных принципов логическим и математическим путем, является достоверным, конечно, в пределах тех границ, в которых основные принципы доказаны экспериментально, и с той точностью, с которой были выполнены эксперименты. 2. Раньше других разделов физики развилась механики Механика есть наука о движении и равновесии тек В широком смысле слова движение материи есть всякое изменение ее. Однако под движением в механике понимается только простейшая форма его, а именно перемещение тела относительно других тел. Принципы механики впервые были сформулированы Ньютоном в его основном сочинении «Математические начала натуральной философии», первое издание которого вышло в 1687 г.

Ньютон имел, правда, много крупных предшественников: Архимеда (ок. 287 — 212 до н. э.), Иоганна Кеплера (1571 — 1630), Галилео Галилея (1564 — 1642), Христиана Гюйгенса (1629 — 1695) и др., решивших немало частных вопросов статики и отчасти динамики. Однако Ньютон был первым, ВВЕДЕНИЕ 1з кто сформулировал полную систему принципов механики и на их основе воздвиг стройное здание этой науки.

Громадные достижения механики Ньютона, а также его непререкаемый научный авторитет почти на 200 лет отвлекли внимание ученых от недостатков его системы механики. Серьезное критическое отношение к механике Ньютона возникло лишь во второй половине Х1Х века. После Ньютона механика быстро развивалась. Однако до начала ХХ века это развитие шло в основном в направлении совершенствования математических методов механики и применения ее законов ко все новым и новым областям знания, Оно не затрагивало содержания основных принципов и физические представления механики Ньютона. Ничего принципиально нового в физические основы механики внесено не было вплоть до ХХ века, когда положение изменилось.