Д.В. Сивухин - Общий курс физики. Том 1. Механика (1111909), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Общий план лекционного курса, а также основной подход к изложению принципиальных вопросов физики на протяжении всех лет менялись мало. Однако с каждым годом курс обновлялся включением новых вопросов частного порядка и примеров. Многие ранее рассматривавшиеся вопросы при этом исключалнсь. Делалось это не по принципиальным соображениям, а из-за недостатка времени.
В настоящий курс вошли практически все вопросы, излагавшиеся на лекциях в разные годы. Вошли также и такие вопросы, которые на лекциях не излагались. Онн занимают около 10 — 150й текста. Кроме того, включено много задач с ответами или подробными решениями. Весь этот материал может оказать пользу студентам при углубленном изучении физики и преподавателям при проведении семинарских занятий. Он, как надеется автор, будет способствовать развитию у студентов навыков физического мышления и умения самостоятельно ставить и решать принципиальные вопросы н конкретные физические задачи, что и является главной целью предлагаемого руководства. Разумеется, не весь этот материал является обязательным. Для удобства читателя основные вопросы напечатаны крупным шрифтом, все остальные — петитом.
В устном преподавании большое внимание уделялось лекционным демонстрациям. Лекционные демонстрации, а также лабораторные работы, являются наилучшим средством для ознакомления студентов с физическими явлениями. Их не может заменить никакое самое образное и точное описание явления. Лекционные ПРЕДИСЛОВИЕ 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 печатном курсе 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 на 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. 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 механик будет дано в других томах курса — после изложения электрических и оптических явлений, В следующих томах курса предполагается изложить термодинамику, 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 ПРЕДИСЛОВИЕ системы единиц СИ. Различие между ними здесь чисто количественное и сводится к различному выбору масштабов единиц длины и массы (вместо сантиметра 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 и индукцней электрического поля Е и В, напряженностью и индукцией магнитного поля Н и В.
Это с физической точки зрения является ненужным и противоестественным усложнением. В вакууме достаточно двух векторов, вводимых в системе СГС. В системе СГС все четыре вектора Е, В, Н, Р имеют одинаковую размерность. В системе СИ их размерности разные. Эта также противоестественно, поскольку электрическое н магнитное поля тесно связаны между собой. В наиболее общем виде связь между ними устанавливается в релятивистской электродинамике, Векторы Е и В, а также Н и Р оиа объединяет в четырехмерные антисимметричные 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 электротехнической системы СИ по сравнению с физической системой СГС.
В систему СИ органически входят ампер, вольт, ом и все производные этих единиц, получившие благодаря историческим случайностям широкое распространение в электротехнике. 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, коими 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 моиассистеиты: М. И. Маклаков, В. А. Кузнецова, Е. Н. Морозов, В. П. Молчанов, Л. Д. Кудряшева, Г. Н. Фрейберг. Хотя далеко го пРедислОВие не все нз 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 академиками В. Л. Гинзбургом, Б. Б. Кадомцевым, М. А. Леонтовичем, Р. 3. Сагдеевым; профессорами С. С. Герштейном и И. 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 способствовалп улучшению книги. Всем им автор выражает глубокую благодарность. Д. В. Сивухин 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 Ньютон (1643 — 1727). Непревзойденным мастером метода принципов был и великий физик Эйнштейн (1879 — 1955) . Сами основные законы или принципы не могут быть доказаны логически. Их доказательством является опыт. Основное значение имеют не столько опыты по непосредственной проверке самих принципов, сколько опыты, в которых проверяются вытекающие из них следствия. В этом смысле основные принципы являются обобщениями опытных факпюв. Но никакие опыты никогда не охватывают все разнообразие условий, в которых могут протекать явления, а измерения всегда сопровождаются ошибками. Поэтому опытным путгм (а другого пути нет) можно успшновить справедливость принципов лишь в ограниченных пределах и с ограниченной точностью.
При расширении круга изучаемых явлений и повышении 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„имеющими 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 энсперименты. 2. Раньше других разделов физики развилась механика. Механика есть наука о движении и равновесии тгл. В широком смысле слова двизкение материи есть всякое изменение ее.
Однако под движением в механике понимается только простейшая форма его, а именно перемещение тела относите гьно других тел. Принципы механики впервые были сформулированы Ньютоном в его основном сочинении !2 ВВЕДЕНИЕ «Математические начала натуральной философии», первое издание которого вышло в 1687 г. Ньютон имел, правда, много крупных предшественников: Архимеда (ок. 287 — 212 до и. э.), Кеплера (1571 — 1630), Галилея (1564 — 1642), Гюйгенса (1629 — 1695) н др., решивших немало частных вопросов статики и отчасти динамики. Однако Ньютон был первым, 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 но все новым н 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. Хотя механика Ньютона и покоится на прочном фундаменте экспериментальных фактов, однако все они относятся к медленным движениям макроскопических тел. Макроскопическими называют обычные тела, окружающие нас, т. е. тела, состоящие из громадного количества молекул или атомов. Под медленными или нерелятиаистскими движениями понимают движения, скорости которых очень малы по сравнению со скоростью света в вакууме с = = 300 000 км!с.
Движения, скорости которых приближаются к скорости света в вакууме, называют быстрыми илн рглятивисл«сними. В этом смысле движение спутника или космического корабля со скоростью о = 8 км!с является еще очень медленным. В том же смысле очень медленными движениями являются движения планет Солнечной системы, их спутников и комет относительно Солнца. Применяя к таким телам принципы механики Ньютона, удалось объяснить и предсказать их движения в полном соответствии с наблюдениями.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
