Введение. Механика материальной точки

Физика как наука об общих свойствах и законах движения материи. Методы физического исследования: опыт, гипотеза, эксперимент, теория. Роль физики в развитии техники и влияние техники на развитие физики. Курс физики как база для изучения общетехнических и специальных дисциплин. Предмет классической механики. Границы ее применимости. Механическое движение. Принцип относительности движения. Феноменологический и статистический методы описания движения. Модели движущихся объектов. Система отсчета. Единицы измерения и системы единиц. Основные единицы СИ.

Физика есть наука о наиболее общих свойствах и формах движения материи[1]. Под движением в данном случае понимается любое изменение параметров, описывающих состояние материи. Это определение позволяет, с одной стороны, включить в предмет физики практически всё, что не является науками о мыслительной деятельности (психология, искусствоведение, теология и т.п.), а с другой стороны, исключить из предмета физики почти всё – так как почти всё не является «наиболее общим». Так чем же отличается физика от других наук о природе?

В основном, физика выделяется подходом к изучению явлений. Методы физического исследования: опыт, гипотеза, эксперимент, теория. То есть сначала имеется некий факт или набор фактов, относящийся к некоторой группе объектов. Затем ученые выдвигают некую гипотезу, то есть предположение о виде закономерности поведения этой группы объектов и об условиях, в которых эта закономерность проявляется. После этого ставится эксперимент или серия экспериментов, то есть исследование, проводимое в контролируемых условиях, с целью проверки выдвинутой гипотезы. Если результаты всех экспериментов совпадают (в пределах допустимой погрешности) с результатами, получаемыми из проверяемой гипотезы, то данная гипотеза считается теорией. Если же часть экспериментальных результатов не укладывается в рамки предлагаемой гипотезы, то возможны два варианта: данная гипотеза неверна или условия, при которых данная гипотеза справедлива, сформулированы неверно. Поэтому проводят дополнительные эксперименты по выяснению условий выполнения проверяемой гипотезы.

Вообще говоря, количество различий при проведении экспериментов – то есть различий в условиях – очень много. Отсюда следует необходимость обходиться контролем только некоторого количества условий. Такой подход носит название «модельного». Модель – это объект, обладающий ограниченным определенным набором свойств (параметров), совпадающих с таковыми параметрами реального объекта, а остальные свойства (параметры) считаются несущественными. Проверку, действительно ли в данных условиях отброшенные параметры не оказывают воздействия на результаты – то есть проверку адекватности модели, – проводят экспериментально.

Многие другие науки в настоящее время используют такой подход к исследованию. Поэтому и возникают области знаний, в названии которых присутствует слово физика: геофизика, биофизика, физическая химия и т.п.

Все виды материальных объектов можно отнести к двум основным формам существования материи: веществу и полю. Исторически веществом именовалось то, что взаимодействует – то есть влияет друг на друга, а полем – то, что передает это взаимодействие от одной части вещества к другой. В настоящее время известно, что возможно превращение тех объектов, которые строго относились к веществу в те, которые строго относились к полю, и наоборот. То есть, в современной физике понятия вещества и поля оказываются переходящими друг в друга.

При рассмотрении реальных объектов всё вещество разделяют на отдельные тела. Под телом понимается ограниченная непрерывная часть вещества.

Реальные тела имеют обычно достаточно сложное строение. Поэтому при решении возникающих задач в большинстве случаев рассматривают более простые модели. Простейшей моделью тела является материальная точка – тело, размерами и формой которого в условиях данной задачи можно пренебречь. Например, так можно описывать соскальзывание камня с наклонной плоскости. Однако, уже в задаче о скатывании камня с наклонной плоскости модель материальной точки дает неверные результаты. В этом случае, как и во многих других, используют модель абсолютно твердого (жесткого) тела – то есть тела, изменением размеров и формы которого в условиях данной задачи можно пренебречь. Если же и эта модель не дает правильных (то есть совпадающих с результатами экспериментов) результатов, то применяют модель абсолютно упругого тела – то есть тела, для которого можно пренебречь изменением размеров и формы после снятия всех внешних воздействий. Таким образом, решение каждой конкретной задачи в физике происходит путем последовательного усложнения используемых моделей и экспериментальной проверки получаемых результатов.

Исторически физика подразделяется на несколько взаимосвязанных частей. В нашем курсе рассматриваются некоторые из них (рис. В.1).

Рисунок В.1. Структура курса физики

Курс физики является базой для большинства последующих изучаемых дисциплин, подробно рассматривающих конкретные разделы. Поэтому предлагаемый курс физики во многих разделах намеренно ограничен изложением основных положений.