Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

Неделько В.И.

КУРС ОБЩЕЙ ФИЗИКИ
для студентов биологического факультета МГУ
(отделение «Общая биология»)

Время обучения – 1 семестр (16 лекций, 8 семинаров, 7 практикумов, 71 часа самостоятельной подготовки).

Курс состоит из трёх частей:

I – «Аксиомы физики» ‑ материал даётся на лекциях.

II – «Физика вычислений» ‑ материал даётся на семинарах.

III – «Физика измерений» ‑ материал даётся в физическом практикуме.

Курс не требует предварительной подготовки по физике и удовлетворяет требованиям по циклу общих математических и естественно-научных дисциплин для студентов нефизических специальностей на уровне «Общие представления о классической физике». Может быть полезен студентам биологического факультета, обучающимся по двухсеместровому курсу общей физики и использующими при обучении учебное пособие «Физика» авторов Неделько В.И., Хунджуа Л.С. (М., 2011).

Часть I. АКСИОМЫ ФИЗИКИ

Раздел I.

Общие положения

Физика есть сколько приятная, столько и полезная наука,

толкующая свойства тел или предметов нас окружающих.

Краткое руководство к физике.

С.-Петербург. 1804

§ 1. Что и как изучают в физике

Физика изучает объективные количественные закономерности в фрагментах материального мира, именно в фрагментах, поскольку нет способов объективного изучения материального мира как целого. Фрагмент материального мира представляет собой совокупность объектов (устойчивых наблюдаемых цветных конфигураций), которым даны названия и которые характеризуются свойствами. Самым большим объектом считают пространство – в нём находятся все другие объекты наблюдаемого мира. Самыми маленькими – элементарные частицы.

Свойства объектов могут изменяться, при этом наблюдаемое изменение одних свойств может зависеть от других свойств. Изменение свойств называют поведением объекта. В тех случаях, когда изменения свойств носят не случайный, а закономерный характер, говорят, что имеет место физическое явление (физический процесс). Изучение физикой фрагментов материального мира и состоит в количественном описании физических явлений. Такое описание позволяет:

1. Объяснять наблюдаемые явления и практически их использовать.

2. Строить новые объекты материального мира.

3. Получать прогнозы о будущем объектов и знания об их состояниях в прошлом.

В физическом явлении участвуют не все наблюдаемые объекты фрагмента материального мира, а только некоторые. Приступая к описанию явления, выделяют объекты, имеющие отношение к изучаемому явлению, их свойства, участвующие в явлении, и их поведение. В физике изучают свойства, имеющие количественное выражение. Такие свойства называют физическими. Их находят с помощью измерений (подробно об измерениях см. т. 3). Физический объект должен иметь, по крайней мере, одно измеряемое свойство. Так пространство воспринимается, по словам Канта, «как ощущение простора», а соответствующее ему свойство получило название «протяжённость». Оно измеряемо. Поскольку все объекты находятся внутри пространства, занимая его части, то и каждый объект материального мира обладает протяжённостью. Если объект имеет форму параллелепипеда со сторонами , то для определения его протяжённости надо измерить его длину ( ), ширину ( ), высоту ( ) (расстояние между крайними точками каждой из сторон).

Если имеется совокупность объектов, то каждый объект обладает протяжённостью, а измерение протяжённости локальных участков пространства между объектами реализуют тем же способом – измерением расстояний между объектами.

Результат измерения – мера свойства – называют физической величиной. Особенность измерительного процесса состоит в том, что его реализация возможна только при условии пренебрежения некоторых свойств объекта. Такой упрощённый объект, в котором не учитывают некоторые свойства, называют физической моделью. Закономерность изменений свойств объекта позволяет при описании физического явления использовать функциональную связь. Выражение, описывающее функциональную связь измеряемых величин, называют физическим законом. Описание функциональной связи используют язык математики, т.е. физический закон можно записать в виде математической формулы. Однако в отличие от обычной математической формулы, содержащей абстрактные математические символы, в математической формуле, описывающей физический закон, каждый символ является физической величиной, а значит, закон имеет не только количественное, но и качественное (физическое) содержание.

Таким образом, задачей описания является не только нахождение функциональной зависимости физических величин, но и установление физической сути закона и физического смысла величин (см. далее).

Итак, для проведения количественного описания физического явления, выделенные для описания объекты, переводят в их физические модели, свойства объектов ‑ в физические величины, а изменение свойств ‑ в функциональную зависимость. Перевод объекта в его физическую модель состоит в отыскании тех свойств объекта, которыми можно пренебречь в конкретных условиях проведения измерений. Чтобы перевести свойство объекта в физическую величину, надо придумать и реализовать способ измерений. Поиск функциональной связи проводится на основе анализа полученных значений физических величин. Часто строят графики зависимости одной величины от другой и по виду графиков определяют искомую зависимость. Математическая форма записи физических законов позволяет решать проблемы, используя только математические операции. Поскольку математические операции проводят только с математическими объектами, то надо физические модели перевести в модели математические, физические величины ‑ в математические символы, и связь физических величин ‑ в связь математических символов. Полученные математические выражения представляют собой систему, и чтобы получить решение, эта система должна быть полной, т.е. число выражений должно быть равно числу неизвестных, причём среди неизвестных должны быть величины, которые представляют собой цель исследований.

Решение системы с помощью математических операций даёт набор математических выражений. Чтобы получить физический результат, надо каждый символ математического выражения перевести в соответствующую ему физическую величину. При этом все физические величины должны принадлежать одной системе единиц измерений.

Полученный результат подлежит опытной проверке, т.е. надо создать материальные условия, заданные в расчётах, и в этих условиях провести опытную проверку полученного математического результата. Такая проверка, т.е. проведение физических измерений в специально созданных и строго контролируемых условиях называется экспериментом.

Рассмотренный выше порядок действий при проведении количественного описания физических явлений, можно представить в виде функциональной схемы (рис. 1).

Рассмотрим конкретный пример.

Мимо наблюдательного поста проносятся две машины. Пока они находятся в зоне видимости и не скрылись за деревьями, наблюдатель успевает для нескольких моментов времени замерить расстояние от столбика до автомобилей. У наблюдателей возникает вопрос: через какое время после появления у столбика второй автомобиль догонит первый (рис. 2).

Для ответа на вопрос наблюдатель по данным измерений строит графики зависимости расстояния от столбика до автомобилей как функцию времени (рис. 3).

Из графиков следует, что они представляют собой прямые линии, а это означает, что движутся автомобили с постоянными скоростями, которые легко определить из графика (как отношение ).

Таким образом, из опытных данных получено, что

(1)

где: ‑ расстояние, ‑ скорость, ‑ время; соответственно для первого и второго автомобилей.

Значение найденных из графика скоростей: . Поскольку , то второй автомобиль догонит первый, причём, когда произойдёт встреча, то в момент времени расстояние от столбика до автомобилей будут одинаковы. Отсюда

(2)

Так как масштаб времени для обоих автомобилей одинаков, время «в мире сем» течёт равномерно и однонаправлено, момент появления возле столбика второго автомобиля на 3 секунды позже первого, то выражение, связывающее время движения от столбика автомобилей

(3)

Комбинируя полученные выражения (1), (2), (3), получаем

Итак, по результатам прямых измерений и расчётов получен ответ. При этом действия, проводимые наблюдателями стихийно, соответствуют общим правилам действий, принятым в науке, хотя наблюдатели могут этого и не знать.

Действительно, имеет место фрагмент материального мира и задаётся цель – определить место встречи автомобилей. В соответствии с целью формируют модель физического явления, причём самую простую, а именно: оставляют для рассмотрения столбик, дорогу и автомобили и не обращают внимания на другие объекты, которые могут изменить ход процесса.

Теоретически каждый объект фрагмента мира может изменить ход процесса: дерево может упасть на дорогу, бензовоз может загореться, лошадь может испугаться и встать поперёк дороги, колесо машины может попасть в яму, а может пропороться, птицы могут нагадить на стекло и водитель потеряет обзор и т.п. Конечно, указанные события маловероятны, но когда их много, то велика вероятность того, что что-то обязательно повлияет на ход процесса. Но любое включение дополнительного объекта сильно усложняет описание, и поэтому оставляют самую простую модель.

Как правило, измеряя положение автомобилей в процессе их движения, наблюдатели не учитывают размер автомобилей, и ведут измерения расстояний от произвольного места автомобиля. Это означает, что используется модель «материальная точка». Таким образом, именно в модели «материальная точка» проводят измерение физических величин: расстояния и времени.

Законы движения автомобилей определяют по графику зависимости , но экспериментально найденная закономерность охватывает малый интервал времени, а вычисление идёт по существенно большему интервалу времени. Это значит, что задают допущение, что условия движения не изменяются в течение всего времени движения от столбика до встречи. Таким образом, реальный закон движения заменяют моделью движения при заданных условиях.

Характеристики

Тип файла документ

Документы такого типа открываются такими программами, как Microsoft Office Word на компьютерах Windows, Apple Pages на компьютерах Mac, Open Office - бесплатная альтернатива на различных платформах, в том числе Linux. Наиболее простым и современным решением будут Google документы, так как открываются онлайн без скачивания прямо в браузере на любой платформе. Существуют российские качественные аналоги, например от Яндекса.

Будьте внимательны на мобильных устройствах, так как там используются упрощённый функционал даже в официальном приложении от Microsoft, поэтому для просмотра скачивайте PDF-версию. А если нужно редактировать файл, то используйте оригинальный файл.

Файлы такого типа обычно разбиты на страницы, а текст может быть форматированным (жирный, курсив, выбор шрифта, таблицы и т.п.), а также в него можно добавлять изображения. Формат идеально подходит для рефератов, докладов и РПЗ курсовых проектов, которые необходимо распечатать. Кстати перед печатью также сохраняйте файл в PDF, так как принтер может начудить со шрифтами.

Список файлов лекций