В.И. Неделько

«Физика. Курс практических занятий».

Механика

Общая редакция Б.А. Струкова

ОГЛАВЛЕНИЕ

Ч.I. МЕХАНИКА

1.1 Истоки физики

1.2. Начала физики

1.2.1. Пифагор, Платон, Гиппарх, Птоломей, Аристотель.

1.2.2.Физика Аристотеля

1.3. Становление современной физики

1.3.1.Н.Коперник

1.3.2.Г.Галлилей

1.3.3.И.Ньютон

1.4. Некоторые замечания о современной научном методе классической физики

Механика2.doc

1.5. Практическое использование аксиоматики Ньютона для описания механического движения тел

1.5.1. Общие положения.

1.5.2. Модель «материальная точка»

1.5.2.1.Кинематические характеристики механического движения точки

1.5.2.1.1.Перемещение.

1.5.2.1.2. Траектория

1.5.2.1.3. Скорость

1.5.2.1.4. Мгновенная скорость

1.5.2.1.5. Ускорение точки

1.5.2.1.6. Путь точки

1.5.2.2.Динамические характеристики механического движения точки

1.5.2.2.1.Сила. Силы упругости. Силы трения.

1.5.2.2.2. Масса.

1.5.2.2.3.Импульс

1.5.2.3. Законы Ньютона и закон всемирного тяготения.

1.5.2.4.Движение материальной точки в рамках заданных в системе Ньютона величин и законов

1.5.2.5. Примеры нахождения новых величин и законов движения материальной точки

1.5.2.5.1. Уравнение вращательного движения материальной точки. Момент инерции точки. Момент сил.

1.5.2.5.2. Момент импульса материальной точки

1.5.2.5.3. Энергетические характеристики материальной точки

Механика3.doc

1.5.3. Модель «Система материальных точек »

1.5.3.1. Импульс системы материальных точек.

1.5.3. 2. Центр масс.

1.5.3.3. Момент импульса системы материальных точек.

1.5.3.4. Механическая энергия системы материальных точек. Примеры.

1.5.4. Модель «Абсолютно твердое тело»

1.5.4.1. Движение тела.

1.5.4.2. Равновесие тела.

1.5.5. Модель «Сплошная среда»

1.5.6. Модель «Твердая упругая сплошная среда»

1.5.7. Модель «Жидкая сплошная среда»

1.5.7.1.Поток вектора скорости жидкости.

1.5.7.2. Циркуляция вектора скорости жидкости

1.5.7.3.Частные случаи использования закона. Гидростатика.

1.5.8. Модель «Волна в сплошной упругой среде».

Механика4.doc

1.6. Проблема решения задач.

1.6.1. Общие замечания

1.6.2.Задачи, решаемые в рамках аксиоматики Ньютона.

1.6.2.1. "Упорядочение исходной информации"

1.6.2.2. Перевод упорядоченной исходной информации в физический процесс

1.6.2.3. Математический этап решения задачи

1.6.2.4. Получение значений физической величины

1.6.2.5. Примеры.

1.6.3. Построение систем объектов из начально заданных

1.6.4. Разложение заданных в условии объектов на новые.

1.6.5. Учет свойств моделей.

1.6.6.. Формализация условия, накладываемого на физические свойства

1.6.7. Формализация нескольких условий, накладываемых на физические свойства.

1.6.8. Выбор характерных точек

1.6.9. Использование связей для нахождения неизвестных величин через известные

1.6.10. Ввод новых величин в процессе решения задачи

1.6.11. Учет предыстории процесса

1.6.12. Учет кинематических связей

1.6.13. Использование дополнительных доказательств

1.6.14. Использование ограничений, накладываемых на математические величины

1.6.15. Использование математических приближений

1.6.16. Решение задачи через качественное рассмотрение

1.6.17. Использование при решении задач на движение тел
особенностей математического описания движений других видов

1.6.18. Рассмотрение физической задачи как геометрической

1.6.19. Получение формальных уравнений
через качественное рассмотрение физической ситуации.

1.6.20. Задание типа движения в конкретный момент времени

Механика5.doc

1.7. Темы семинарских занятий

1.7.1. Кинематическое описание механического движения материальной точки

1.7.1.1. Основные величины

1.7.1.2. Кинематические принципы суперпозиций

1.7.1.3 Законы движения

1.7.1.4. Вращательное движение материальной точки

1.7.1.5. Кинематическое описание колебательного движения точки

1.7.1.6 Вопросы на дом

1.7.2. Динамика материальной точки

1.7.2.1 Поступательное движение материальной точки

1.7.2.2 Вращательное движение материальной точки. Вопросы для домашнего задания и ответы.

1.7.2.3. Колебательное движение точки. Вопросы для домашнего задания и ответы.

1.7.2.4. Импульс, момент сил и момент импульса материальной точки

Механика6.doc

1.7.3. Динамика системы материальных точек

1.7.3.1. Импульс системы материальных точек. Центр масс.

1.7.3.2. Работа и энергия. Вопросы и ответы для домашнего задания.

1.7.4. Динамика твердого тела

1.7.4.1 Момент инерции тела

1.7.4.2 Движение твердого тела

1.7.4.3 Колебательное движение твердого тела

1.7.5. Сплошные среды

Основные понятия гидродинамики

Механика7.doc

1.8. Измерения в физике

1.9. Физические модели

1.10. Физические модели тел в механике

1.11.Вопросы по курсу «Механика»

"Приложи сердце твое к учению,

И уши твои ‑ к умным словам"

(Притчи, 23)

Введение

Основная цель практических занятий состоит в доведении знаний студентов до такого уровня, который позволяет эти знания практически использовать. Практическое использование учебного материала имеет место при решении двух проблем: первой – изучении новой информации (различные специальные дисциплины, включающие физические знания; научная литература, освоение которой необходимо для успешной профессиональной деятельности и т.п.), второй – получении новой информации (установление новых закономерностей, создание новых моделей, разработка новой технологии, решение конкретных частных проблем и т.п.).

Для решения первой проблемы необходимо освоить на уровне практического использования понятийный аппарат классической физики, т.е. систему основных положений (феноменологических, фундаментальных, универсальных, онтологических). Эти положения включают основные понятия, используемые в физике, физические величины, функциональные связи между ними и общие правила действий (эвристические, логические, математические).

Проблема получения новой информации в рамках формального подхода требует знаний специальных методов.

Основная задача данного курса состоит в решении первой проблемы.

Курс рассчитан как на студентов, освоивших школьную физику, так и на студентов, не получивших в школе физических знаний необходимого уровня. Курс не предназначен для самостоятельного обучения, а рассчитан на обучение под руководством преподавателя.

Курс содержит учебный материал по конкретным темам семинарных занятий (с учетом часов, реально отведенных на семинары).

Распределение конкретного материала на аудиторию и домашнее изучение обеспечивает преподаватель.

Курс является полным, в том смысле, что содержит всю информацию (теоретическую, практическую, методическую и т.п.) необходимую для эффективного освоения тем практических занятий.

Основным условием эффективного обучения студентов является понимание ими изучаемого материала. Для обеспечения понимания теоретических знаний, понимания методов решений задач в курсе использованы современные методики и способы представления учебного материала, в частности, все виды системного подхода: генетический, динамический, структурный.

Поэтому в состав курса входит материал, дающий панораму развития физического знания от его истоков до формирования систем классической физики (механики и электродинамики); информация о структуре классической физики. В каждой конкретной теме материал излагается как динамика развития знаний в рамках одной модели, а порядок расположения тем соответствует ряду моделей с возрастающей сложностью. Весь этот материал является неотъемлемой частью курса, а не каким-то дополнительным или мировоззренческим (хотя может нести и мировоззренческую функцию) и служит средством понимания как предметного материала конкретных тем данного курса, так и средством понимания новой физической информации любого типа.

Предметный материал конкретных тем включает набор специально подобранных вопросов и задач, часть из которых носит демонстрационный характер (приводится их разбор с решением), а часть предназначена для самостоятельного решения. В конце каждой части дается система контрольных вопросов по всем аспектам курса.

Используемая литература:

- Библия. Книги священного писания Ветхого и Нового завета

- Аристотель «Сочинения в 4 томах» т.3 М. Мысль, 1981г.

- М. Клайн «Математического» (Поиск истины) Москва Мир, 1988 г.

- Галилей Г. «Избранные труды в двух томах» М.Наука, 1964 г.

- И.Р. Григулевич «Инквизиция» М., 1985 г.

- Ньютон И. «Математические начала натуральной философии» М-Л из-во АН СССР, 1936 г. (в кн. собрание трудов академика А.Н.Крылова)

- Максвелл Дж.К. «Избранные сочинения по теории электромагнитного поля» М: Гостехтеор издат., 1954

- Козелецкий Ю. «Психологическая теория решений» М.Прогресс, 1979

- Стрелков Г.П. «Механика» М.Наука, 1975

- Тамм И.Е. «Основы теории электричества» Наука, 1989

- Сивухин Д.В. «Курс общей физики» ч.1 Механика М.Наука, 1989г.

- Белов Д.В. «Электромагнетизм и волновая оптика» из-во МГУ, 1994г.

- Белов Д.В. «Механика» МГУ 1998г.

"В начале было Слово,

и Слово было у Бога,

и Слово было Бог"

(От Иоанна, I, 1)

1.1. Истоки физики

Физика берет свои истоки в пещерах троглодитов. Именно в нижнем палеолите, когда кончились "хорошие времена" с их относительным обилием пищи и наступили "суровые будни" с холодом, голодом. Условия выживания привели к созданию и использованию не только простейшего оружия (копий, пращей, луков со стрелами, ножей...), но и измерительных устройств и средств передачи точной количественной информации.

Так, например, надо было находить места обитания зверей и сообщать о них сородичам. Разведчики искали стада мамонтов и каждый проход Солнца от восхода до заката отмечали насечкой на палке. Количество насечек на палке и являлось точной информацией, которую надо было передать. Передача информации шла на "разговорном языке" племени (жесты, звуки, позднее разговорная речь); информацию "обсуждали" и делали выводы: "идти и ловить" или "не идти, так как дорога слишком длинная и опасная" и т.п.

Так постепенно формировалась система генерирования и передачи информации: разведчики "записывали" информацию в специальном языке насечек С, затем передавали ее сородичам на разговорном языке племени Р. Содержание информации заключалось в утверждениях А, полученных на основе наблюдений и измерений ("Через три прохода Солнца за горой живут мамонты").

По результатам сообщений А на основе правил вывода П делалось заключение ("Идти или не идти")

Данную информационную систему можно символически записать С-Р-А-П. Вся информационная эволюция человечества, по сути представляет собой развитие данной системы. Совершенствовались в процессе эволюции языки, тверждения, правила вывода:

Язык А от примитивных жестов, звуков до современных разговорных языков.

Язык Р от примитивных насечек до современных специальных символических языков математики, логики и т.п.

Утверждения А ‑ начальные утверждения, используя которые с помощью правил вывода можно было производить различные следствия ‑ получили названия аксиом. (Более подробно об аксиомах смотри ниже.) Аксиомы прошли долгий путь от примитивных утверждений, полученных на основе прямых наблюдений конкретных ситуаций ("Солнце восходит из-за горы и заходит за нее"), до современных обобщенных абстракций, не связанных с какими-либо наблюдениями и измерениями. Правила вывода следствий П ‑ от примитивных правил по сути физиологического характера, когда выводы из аксиом делались на основе того, "насколько кушать хочется" (если очень хочется ‑ то идем, невзирая ни на какие опасности), до современных операций логического и математического характера.

Итак, информационная система описывала первые практические модели объектов Мира: модели, ибо это были не непосредственно наблюдаемые объекты, а информационные эквиваленты, отражающие отдельные стороны объектов мира и заданные в определенном представлении (жестов, насечек); практические ‑ поскольку использовались в практической деятельности в процессе выживания