А.В. Зотеев, А.А. Склянкин - Лекции по курсу общей физики

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТимени М.В. ЛомоносоваФИЛИАЛ МГУ В ГОРОДЕ БАКУА.В. Зотеев, А.А. СклянкинЛЕКЦИИПО КУРСУ ОБЩЕЙ ФИЗИКИМеханика.Электричество и магнетизмМоскваФизический факультет МГУ2014УДК 531.537ББК 22.3А.В. Зотеев, А.А. СклянкинЛекции по курсу общей физики. Механика.

Электричество имагнетизм. Учебное пособие. – Издательство МГУ им. М.В.Ломоносова, филиал МГУ в г. Баку, 2014. – 242 с.Научный редактор: д. ф.-м. н., профессор О.Б. ТАГИЕВРецензенты:В.В. СУРИКОВ, д. ф.-м. н., профессор физического факультета МГУим. М.В. Ломоносова;Д.В. БЕЛОВ, к.

ф.-м. н., доцент физического факультета МГУим. М.В. ЛомоносоваРекомендовано Учебно-методической комиссиейфизического факультета МГУ им. М.В. ЛомоносоваНастоящее учебное пособие полностью соответствует программекурса общей физики по разделам «Механика. Электричество имагнетизм», который уже многие годы один из авторов читаетстудентам химического факультета МГУ им. М.В.

Ломоносова. Пособиепредназначено для студентов химического факультета филиала МГУимени М.В. Ломоносова в городе Баку, обучающихся по программебаклавриата, а также может быть полезно, как мы надеемся, широкомукругу студентов физических и химических специальностей ВУЗовестественнонаучного профиля.Оригинал-макет подготовлен авторами© А.В. Зотеев, А.А. Склянкин, 2013© Филиал МГУ им. М.В. Ломоносова в городе Баку, 2014ВведениеОт авторовНастоящее учебное пособие – это развернутый конспект лекций по разделам«Механика» и «Электромагнетизм», читаемых одним из авторов студентамхимического факультета филиала МГУ в городе Баку.

Содержание курсасоответствует государственной университетской программе курса общей физикидля химиков МГУ им. Ломоносова. Курс разработан и много лет читается вМоскве заведующим кафедрой общей физики профессором П.К.Кашкаровым. Несмотря на то, что можно было бы рекомендовать по немудлинный перечень учебной литературы*), мы сочли возможным предложитьсвоё видение способа изложения традиционного материала.К этому нас подтолкнула необходимость учесть конкретный уровеньбазовой подготовки (в том числе математической) выпускников современныхнепрофильных школ, а также многолетний опыт преподавательской работы сабитуриентами и старшими школьниками.

В отличие от подчас сухогоакадемического способа изложения материала в нашем пособии используетсяболее эмоциональный стиль, приближающий текст к разговорной речи.Многие вопросы нам казалось полезным “проговорить” более подробно ивозможно даже избыточно дотошно, чем это принято в традиционнорекомендуемых учебных пособиях, снабдить их детально разобраннымипримерами.Кроме того мы старались особо выделять и чётко формулироватьзаконы и определения. Мы умышленно избегали длинных математическихвыводов и обращали внимание на физический смысл результатов и следствийиз них. По возможности, указывали на практическое и научное применениеизучаемых законов, отмечали их место в общей физической картине мира.Конечно, предложенный стиль изложения понравится не всем (иначе небывает).

Но, работая над пособием, мы всегда думали – для чего и для когомы пишем. И всегда пытались ставить себя на место тех, для кого это пособиепредназначено – вчерашних школьников нынешних студентов.Авторы глубоко признательны рецензентам проф. В.В. Сурикову и доц.Д.В. Белову за ценные дискуссии и сделанные полезные замечания. Мы такжевыражаем искреннюю благодарность ректору Филиала МГУ им. М.В.Ломоносова в городе Баку профессору Наргиз-ханум Пашаевой за внимание кнашей работе и помощь в издании данного учебного пособия.А.В.

Зотеев, А.А. Склянкин*)Прежде всего, это: П.К. Кашкаров, А.И. Ефимова. «Механика и электромагнетизм». М., изд. МГУ,2010, а также хорошо известный классический курс И.В. Савельева: Курс общей физики. т.1, 2, М.,1986 и другие издания.-3-МеханикаЧасть 1. Механика Ньютона“Если я видел дальше, чем другие, то лишьпотому, что стоял на плечах Гигантов” –Исаак НьютонВведениеПредметом механики является изучение простейшей формыдвижениявприроде–механической,т.е.связаннойсизменением положения тел в пространстве. Содержанием этойчасти курса является классическая механика, ведущая своёначало от Г.

Галилея (1564 – 1642) и И. Ньютона (1643 – 1727).Классическая механика изучает законы движения макроскопическихтел (т.е. состоящих из огромного количества атомов).Механика как наука развилась гораздо раньше другихобластей физики, и причиной тому – большая наглядностьиспользуемых представлений и законов. Немалую роль вустановлениизаконовмеханикисыгралиастрономическиенаблюдения и исследования, не требовавшие в те временабольших материальных затрат, а также развитие техники,диктуемое практическими нуждами прогресса общества.Надо сказать, что наглядность представлений классическоймеханики о пространстве и времени, как о формах существованияматерии, а также их полное соответствие нашим повседневным,«обывательским» наблюдениям, играет двоякую роль в процессепознанияприроды.Соднойстороны,этообстоятельствооблегчает трактовку законов классической физики.

С другойстороны,наоборот,затрудняетпознавательныйпереходкпредставлениям микромира и случаю движения с очень большимискоростями (v  c). Микромир является объектом изученияквантовой механики, а движение тел с большими скоростями –предмет«релятивистской»теории-4-(«специальнойтеорииВведениеотносительности)*). Квантовая механика и релятивистская теория –это новые, более высокие степени приближения в изученииприроды по сравнению с классической механикой.

Но они ни вкакой мере не исключают «старой» теории, не говоря уж о том, чтоотталкиваютсяотэкспериментальная.неё.ФизикаТеорияведьвозникаетвообщекакнаукаобобщениенакопленных опытных фактов, новая теория обобщает старыетеории. Любая физическая теория, описывая принятую ею модельвнешнего мира, имеет определённые границы применимости, врамках которых удовлетворительно описывает эту модель,объясняя известные и предсказывая новые опытные результаты.И если оказывается, что новая теория является более общей,чем старая, то это вовсе не означает, что старая никуда негодится.

Каждая из них работает в определённых условиях, и небеда, если старая является «предельным случаем» другой(новой). Так обстоит дело со взаимоотношениями между теориейотносительности, квантовой механикой и классической механикой.Последняя прекрасно описывает явления природы, пока скоростидвижения гораздо меньше скорости света и пока мы не пытаемсяиметь дело с отдельными атомами и элементарными частицами.Впрочем, даже в последнем случае бывают такие ситуации, когда«возмущения» в результаты измерений, вносимые квантовойприродой этих частиц незначительны и лежат в пределахпогрешностейэксперимента**).Тогдаклассическаямеханикаявляется хорошим приближением для описания движения этихчастиц, например, движения электрически заряженных частиц вэлектрических и магнитных полях при условии v << c. Во многихслучаях*)результаты,учитывающиеквантовыеэффектыиВ обоих случаях приходится существенно изменять наши представления о пространстве и времени.О погрешностях эксперимента вам предстоит подробнее узнать в процессе работы в физическом практикуме.**)-5-Механикаконечностьскоростисвета,являютсялишьнебольшимуточнением к выводам классической механики.Такимобразом,практическоеприменениезаконовклассической механики выходит за рамки строгих границ еёприменимости.

При этом всё же надо учитывать, что результаты,даваемые классической механикой, являются лишь первымприближением,котороеможетбытьисправленозаконамиквантовой и релятивистской теории.Традиционное деление классической механики предполагаетизучение кинематики, статики и динамики. В настоящем курсестатика не рассматривается, её вы изучали в школе, а в рамкахклассической механики её можно считать частным случаемдинамики.-6-§ 1. Кинематика материальной точки§ 1. Кинематика материальной точки“Незнание движения необходимовлечёт незнание природы” –“Дайте мне материю и движение,и я построю Вселенную”–Аристотель (IV век до н.э.)КинематикаустанавливаютсяРене Декарт (XVII век н.э.)–этозаконыразделмеханики,механическоговдвижениякоторомтелбезанализа причин, вызвавших это движение.

Задачей кинематикиявляется разработать способы описания движения тел, т.е.определять положение, скорость, ускорение, … (так называемыекинематические характеристики движения) и отвечать на вопрос«как ?», оставив до поры вопрос «почему ?» открытым. Анализпричин того или иного типа механического движения проводитсяв разделе «Динамика» – он ещё у нас впереди.1.1. Основные понятия кинематики(Опр.) Механическое движение – это изменение положениятел в пространстве (т.е. относительно других тел) стечением времениМы видим, что «арена событий» механики – пространство ивремя. И уже в силу своего определения всякое движение носитотносительный характер! Насколько движение абсолютно вфилософском смысле («всё течёт, всё изменяется»), настолькооноотносительновсмыслепредставленийфизических(относительно других тел!).Простейшей моделью реального тела, с которой начинаетсяпостроение механики, является материальная точка (МТ).(Опр.) Материальная точка – физическое тело, размерамикоторого в условиях конкретной задачи можно пренебречь-7-МеханикаЧасто говорят, что «это такие тела, размеры которыхпренебрежимо малы по сравнению с характерными для даннойзадачи расстояниями».