Физика и техника. Теория и эксперимент

Во-первых, физика является для человека важнейшим источником знаний об окружающем мире. Во-вторых, физика, непрерывно расширяя и многократно умножая возможности человека, обеспечивает его уверенное продвижение по пути технического прогресса. В-третьих, физика вносит существенный вклад в развитие духовного облика человека, формирует его мировоззрение, учит ориентироваться в шкале культурных ценностей.

Современная физика вносит существенный вклад в выработку нового стиля мышления, который можно назвать планетарным мышлением. Она обращается к проблемам, имеющим большое значение для всех стран и народов. Сюда относятся, например, проблемы солнечно-земных связей, касающиеся воздействия солнечных излучений на магнитосферу, атмосферу и биосферу Земли; прогнозы физической картины мира после ядерной катастрофы, если таковая разразится; глобальные экологические проблемы, связанные с загрязнением Мирового океана и земной атмосферы.

Физика тесно связана и с техникой, причем эта связь имеет двусторонний характер. Физика выросла из потребностей техники (развитие механики у древних греков, например, было вызвано запросами строительной и военной техники того времени), и техника, в свою очередь, определяет направление физических исследований (например, в свое время задача создания наиболее экономичных тепловых двигателей вызвала интенсивное развитие термодинамики). С другой стороны, от развития физики зависит технический уровень производства. Физика — база для создания новых отраслей техники (электронная техника, ядерная техника и др.). Бурный темп развития физики, растущие связи ее с техникой указывают на значительную роль курса физики во втузе — это фундаментальная база для теоретической подготовки инженера, без которой его успешная деятельность невозможна.

Как и все другие естественные науки, т. е. науки о природе, физика основывается на экспериментально установленных фактах. Опыт, эксперимент составляет источник знаний – экспериментальные факты могут привести к открытию физических законов. Как только ставится вопрос о взаимосвязи явлений, мы вступаем в область теории. Теория должна объединить, объяснить разрозненные экспериментальные факты с единой точки зрения, основываясь на более или менее непосредственно проверяемых гипотезах. Очень важно ясно представлять себе соотношение эксперимента и теории в физике. При изучении теоретической физики у студента может сложиться впечатление, что все известные физические законы могут быть чисто логически «выведены» или доказаны на основе некоторых общих принципов. Но сколь бы абстрактными ни казались эти принципы и гипотезы, теория берет их в конечном счете только из опыта. Лежащие в основе любой теории принципы по сути дела представляют собой сформулированное в концентрированной форме обобщение большого числа экспериментальных фактов. Основой общих физических законов не могут служить абстрактные логические рассуждения – такой основой могут быть только опытные факты.

Как уже было отмечено, теория дает для огромного экспериментального материала логическое упорядочение. Но, помимо соединения разрозненных экспериментальных фактов в единую картину, хорошая теория должна обладать способностью делать определенные новые утверждения, предсказывать новые факты, допускающие последующую проверку путем эксперимента.

2. Единицы измерения.Размерность. Механика.

Основные понятия кинематики М.Т.

Для построения системы единиц произвольно выбирают единицы для нескольких не зависящих друг от друга физических величин. Эти единицы называются основными.

В научной, а также в учебной литературе обязательна к применению Система интернациональная (СИ), которая строится на семи основных единицах — метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, моль, кандела — и двух дополнительных — радиан и стерадиан.

Метр (м) — длина пути, проходимого светом в вакууме за 1/299 792 458 с.

Килограмм (кг) — масса, равная массе международного прототипа килограмма (платиноиридиевого цилиндра, хранящегося в Международном бюро мер и весов в Севре, близ Парижа).

Секунда (с) — время, равное 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.

Ампер (А) — сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м один от другого, создает между этими проводниками силу, равную 2 • 10-7 Н на каждый метр длины.

Кельвин (К) — 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды.

Моль (моль) — количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько атомов содержится в нуклиде 12С массой 0,012 кг.

Кандела (кд) — сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540 • 1012 Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении, составляет 1/683 Вт/ср.

Радиан (рад) — угол между двумя радиусами окружности, длина дуги между которыми равна радиусу.

Стерадиан (ср) — телесный угол с вершиной в центре сферы, вырезающий на поверхности сферы площадь, равную площади квадрата со стороной, равной радиусу сферы.

Размерность - это выражение производных величин через основные. В науке закономерности, то есть уравнения связи одних физических величин с другими, необходимо анализировать не с помощью единиц измерения, которых может быть много разных для одной и той же физической величины, а с помощью каких-то других понятий, однозначных для одной и той же физической величины. Такие понятия и стали называть размерностями.

Механика — часть физики, которая изучает закономерности механического движения и причины, вызывающие или изменяющие это движение. Механическое движение — это изменение с течением времени взаимного расположения тел или их частей.

Механика делится на три раздела:1) кинематику; 2) динамику; 3) статику.

Кинематика изучает движение тел, не рассматривая причины, которые это движение обусловливают.

В механике для описания движения тел в зависимости от условий конкретных задач используются разные физические модели. Простейшей моделью является материальная точка— тело, обладающее массой, размерами которого в данной задаче можно пренебречь.

Произвольное макроскопическое тело или систему тел можно мысленно разбить на малые взаимодействующие

между собой части. Тогда изучение движения произвольной системы тел сводится к изучению системы материальных точек.

Движение тел происходит в пространстве и во времени. Поэтому для описания движения материальной точки надо знать, в каких местах пространства и в какие моменты времени эта точка находилась в том или ином положении.

Положение материальной точки определяется по отношению к какому-либо другому, произвольно выбранному телу, называемому телом отсчета. С ним связывается система отсчета — совокупность системы координат и часов.

При движении материальной точки ее координаты с течением времени изменяются.

Радиус-вектор — вектор, определяющий положение материальной точки в пространстве. Геометрически изображается вектором, проведенным из начала координат к материальной точке. Зависимость радиус-вектора r = r(t). от времени называется законом движения. В общем случае ее движение определяется скалярными уравнениями x=x(t), y=y(t),z=z(t), эквивалентными векторному уравнению r = r(t). Эти уравнения называются кинематическими уравнениями движения материальной точки. Исключая t в уравнениях, получим уравнение траектории движения материальной точки.

Траектория — линия, описываемая в пространстве движущейся точкой. В зависимости от формы траектории движение может быть прямолинейным или криволинейным. Длина участка траектории, пройденного материальной точкой с момента начала отсчета времени, называется длиной пути и является скалярной функцией времени: s = s(t).

Вектор,проведенный из начального положения движущейся точки в положение ее в данный момент времени (приращение радиус-вектора точки за рассматриваемый промежуток времени), называется перемещением.

Физической величиной, характеризующей быстроту изменения скорости по модулю и направлению, является ускорение.

Мгновенное ускорение — векторная физическая величина, равная второй производной от радиус-вектора по времени и, соответственно, первой производной от мгновенной скорости по времени:

Мгновенная скорость — векторная физическая величина, равная первой производной от радиус-вектора по времени:

Средняя скорость — векторная физическая величина равная отношению вектора перемещения к промежутку времени, за который происходит это перемещение:

Скорость — векторная величина, характеризующая быстроту перемещения и направление движения материальной точки в пространстве относительно выбранной системы отсчёта.

Угловая скорость — векторная величина, характеризующая скорость вращения тела.

Угловое ускорение — величина, характеризующая быстроту изменения угловой скорости.

3. Векторный и координатный способы задания М.Т.