Основы физики

Пространство и время в нерелятивистской физике. Принципы относительности Галилея. Законы Ньютона и границы их применимости. Физический смысл гравитационной постоянной. Законы сохранения энергии и импульса. Свободные и вынужденные механические колебания.
Краткое сожержание материала:

1. Пространство и время в нерелятивистской физике. Система отсчета. Кинематика материальной точки. Прямолинейное равномерное и равноускоренное движение. Криволинейное движение

Движение происходит в пространстве.

Механическое движение - это изменение положения тела в пространстве с течением времени относительно других тел.

Понятие пространства определяет протяженность предметов и их взаимное расположение.

Описание:

Пространство описывается двумя способами:

1. Эвклидово ЕД=180°

2. Не эвклидово E?180°

Свойства пространства:

1. Однородность (безразличие к переносам)

2. Изотропность (безразличие к поворотам)

3. непрерывность

4. трехмерность

Изменение времени происходит с помощью периодических процессов.

Свойства времени:

1. Непрерывность

2. Однонаправленность

3. Одномерность

4. Изотропность

Система отсчета: тело отсчета, система координат, вектор, часы



Кинематика материальной точки

Материальная точка - тело, размерами и формой которого можно пренебречь в данных условиях движения.

Кинематика изучает только движение тел без внимания на причины его возникновения.

Декартова система координат

Кинематические уравнения движения:



Указать траекторию - задать путь, пройденный матер. точкой по траектории.

Траектория - это линия, вдоль которой движется тело.

Путь - длина траектории

S - длина траектории

Дr - перемещение за время Дt

Перемещение - вектор, соединяющий нач. и конечную точки траектории.

Скорость точки - первая производная перемещения по времени

Направление вдоль траектории

Ускорение -быстрота изменения скорости (это вторая производная перемещения по времени)

Ускорение раскладывается на нормальное и тангенциальное:

Частные виды движения

I. Прямолинейное

Равномерное движение по окружности

Дц - угловое перемещение

щ - угловая скорость

щ=dц / dt

х=[ щ, r]

щ определяется по правилу буравчика

Угловое ускорение

2. Принцип относительности Галилея. Преобразования Галилея. Законы Ньютона и границы их применимости. Принцип суперпозиции сил

ИСО - это система отсчета, относительно которой все тела, не взаимодействующие с другими телами, движутся прямолинейно и равномерно.

Принцип относительности Галилея: законы динамики одинаковы для всех ИСО.

Преобразования Галилея: для координат и времени.

При переходе из одной С. О. в другую.

u - скорость K' относительно K

r=r'+ut



Если преобразования Галилея продифференцировать по времени, то получается закон сложения скоростей:



Законы Ньютона

I Закон Ньютона: существуют такие С. О., относительно которых тело покоится или движется равномерно и прямолинейно, если на него не действуют другие тела или действие других тел скомпенсировано

II Закон Ньютона: ускорение, полученное телом, прямо пропорционально равнодействующей сил, приложенных к телу и обратно пропорционально массе тела.

III Закон Ньютона: сила действия = силе противодействия.

F₁₂= -F₂₁

Границы применимости законов Ньютона:

Законы Ньютона выполнимы при движении со скоростями v<<c

Законы Ньютона не выполняются в НИСО

3. Неинерциальные системы отсчета. Силы инерции

Неинерциальные С. О. - С.О., движущиеся с ускорением относительно ИСО.

С.О., движущаяся относительно ИСО прямолинейно, с постоянным ускорением.

щ = const, то скорость С. О. х= щ t << c



XYZ - ИСО

X'Y'Z' - система отсчета, связанная с вагоном

Вагон движется с ускорением щ, то шар перемещается вдоль стержня с ускорением

a = -щ

XYZ Шар: ?F=0 По закону инерции его х=const, т. е. относительно Земли он движется без ускорения. Относительно вагона шар движется с ускорением a = -щ	X'Y'Z' Шар: ?F=0 Имеет ускорение a в системе отсчета, связанной с вагоном, закон инерции нарушается - возникает ускорение, не вызванное силами: щ=-a

В X'Y'Z' нарушается закон инерции. Такая система является неинерциальной.

X'Y'Z' или движется равномерно и прямолинейно, пружина не деформирована.

Вагон движется с ускорением, то пружина растягивается и будет сохранять это деформированное состояние до тех пор, пока продолжается ускоренное движение вагона.

Шар покоится относительно вагона.

XYZ (ИСО) Шар покоится относительно вагона, следовательно он вместе с вагоном движется относительно Земли с ускорением щ. По второму з-ну Ньютона ускорение вызвано силой F=mщ Эта сила приложена к шару со стороны деформированной пружины F=kx= mщ	X'Y'Z' (НИСО) Шар покоится относительно вагона, хотя деформированная пружина действует на него с силой F=kx. Следовательно, нарушается второй з-н Ньютона щ =f / m = kx / m

Силы инерции

Рис. 1 - шар движется с ускорением a=-щ. Шар ведет себя так, как если бы на него действовала некоторая сила:

I = ma = -mщ

Рис. 2 - на шар действует деформированная пружина с силой F = -kx. Она же сообщает шару ускорение относительно вагона.

Дело обстоит так, как если бы на шар действовала некая сила: I=ma=-mщ, которая уравновешивала бы силу F.

Основное уравнение динамики в НИСО

R + I = ma

R - сумма всех сил взаимодействия

I - сила инерции

a - ускорение тела относительно НИСО

Векторная сумма всех сил взаимодействия и сил инерции равна ma относительно НИСО.

Особенности сил инерции

Силы инерции вызваны ускоренным движением самой СО, поэтому к силам инерции не применим второй закон Ньютона

Силы инерции действуют на тело только в НИСО.

Для любой системы тел, находящейся в НИСО, силы инерции являются внешними силами, следовательно, нет замкнутых систем, и поэтому не выполняются законы сохранения.

I~m. Поэтому в поле сил инерции, как и в поле сил тяготения, все тела движутся с одним и тем же ускорением.

Пространство в НИСО неоднородно, неизотропно.

Время в НИСО: неоднородно, ?Д?180°

4. 3аконы Кеплера. Законы всемирного тяготения. Гравитационная постоянная, ее физический смысл и опытное определение. Гравитационное поле

Законы Кеплера.

Движение планет Солнечной системы по их орбитам вокруг Солнца удовлетворяет трем законам Кеплера. Эти законы можно получить из закона всемирного тяготения Ньютона, рассматривая в первом приближении Солнце и планеты как материальные точки.



1.