Лунин Л.С., Благин А.В., Баранник А.А. Лекции по физике. Часть I. Механика, молекулярная физика и термодинамика

Подождите немного. Документ загружается.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Южно-Российский государственный технический университет

(Новочеркасский политехнический институт)

Волгодонский институт ЮРГТУ

Л.С. Лунин, А.В. Благин, А.А. Баранник

ЛЕКЦИИ ПО ФИЗИКЕ

Часть I

Механика, молекулярная физика

и термодинамика

Новочеркасск 2006

УДК 530.1 (075.8)

ББК 22.3

Рецензенты: д-р физ.-мат.наук, проф. В.Н. Лозовский,

к.ф.-м.н., доц. Т.А. Аскарян

Лунин Л.С., Благин А.В., Баранник А.А.

Л Лекции по физике. Ч.1. Механика, молекулярная физика и термоди-

намика / Волгодонский институт ЮРГТУ. Новочеркасск: ЮРГТУ, 2006.

184 с.

Физика является теоретической основой всех технических дисциплин

и, наряду с математикой, базой инженерного образования. Лекции состав-

лены с учетом требований государственных образовательных стандартов

для технических специальностей высших учебных заведений, изучающих

общую физику в течение четырех семестров.

Материал рассчитан на студентов, приступающих к изучению курса

общей физики (34 часа лекций в семестр).

ОГЛАВЛЕНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ………………………………………………………… 4

МЕХАНИКА……………………………………………………………… 5

Лекция 1. Основы кинематики…………………………………………… 5

Лекция 2. Динамика поступательного движения материальной точки.. 13

Лекция 3. Работа и механическая энергия……………………………… 21

Лекция 4. Динамика вращательного движения………………………… 32

Лекция 5. Тяготение. Элементы теории поля…………………………… 49

Лекция 6. Основы специальной теории относительности……...……… 63

Лекция 7. Элементы общей теории относительности………………….. 78

Лекция 8. Элементы механики жидкостей и газов……………………... 90

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА……………. 105

Лекция 9. Основы молекулярной физики – I……………………………. 105

Лекция 10. Основы молекулярной физики – II…………………………. 115

Лекция 11. Основы общей термодинамики – I…………………………. 131

Лекция 12. Основы общей термодинамики – II………………………… 140

Лекция 13. Реальные газы, жидкости и твердые тела – I………………. 150

Лекция 14. Твердые тела – II…………………………………………….. 159

Лекция 15. Теплоемкость и фазовые переходы………………………… 170

Лекция 16. Растворы……………………………………………………… 176

ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………. 183

РЕКОМЕНДУЕМЫЙ БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК……. 184

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящее пособие предназначено, в первую очередь, для студентов

инженерно-технических специальностей; может быть полезным для всех

категорий студентов, изучающих в том или ином объеме физику. Оно

представляет собой курс лекций в 3 частях, соответствующих трем семест-

рам курса физики, предусмотренных унифицированным учебным планом,

по которому студенты специальностей "Микроэлектроника и твердотель-

ная электроника", "Автоматизация технологических процессов", "Электри-

ческие станции", "Информационные системы и технологии", "Оборудова-

ние и технология сварочного производства" обучаются с 2002/03 учебного

года. Пособие может быть использовано студентами также для самостоя-

тельного изучения соответствующего материала, является базой для под-

готовки к семестровым экзаменам по физике. Кроме того, книга должна

помочь студенту и в тех случаях, когда он что-то не успел записать на лек-

ции, какие-то лекции были пропущены, в чем-то трудно разобраться по

другим учебникам.

Первая часть содержит изложение основ механики, молекулярной

физики и термодинамики и адресована первокурсникам. Набор освещае-

мых вопросов хорошо виден из оглавления.

Особое внимание в книге уделено изложению традиционно сложных

для усвоения физических понятий, идей и теорий – таких, как механика

твердого тела, теория относительности, физика реальных газов, жидкостей

и растворов. Впервые в учебной литературе по общей физике в настоящем

пособии излагаются основные выводы общей теории относительности.

Достаточно подробно освещаются вопросы, помогающие осмысленному

выполнению заданий лабораторного практикума по механике и молеку-

лярной физике.

Авторы выражают надежду, что данное пособие будет способство-

вать более глубокому изучению студентами курса физики и решит про-

блему основательного методического обеспечения студентов младших

курсов.

МЕХАНИКА

ЛЕКЦИЯ 1. ОСНОВЫ КИНЕМАТИКИ

1. Предмет физики и ее связь с другими науками.

2. Система СИ (System International – SI).

3. Физические модели. Система отсчета (СО). Траектория.

Длина пути. Вектор перемещения.

4. Скорость. Ускорение, его тангенциальная и нормальная

составляющие. Линейные и угловые величины.

1.1. Предмет физики и ее связь с другими науками

Физика – наука, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее

общие закономерности явлений природы, свойства и строение материи, за-

коны ее движения (физика – наука о наиболее общих формах движения

материи).

Под движением понимают всякое изменение, происходящее в

материальном мире. Формы движения: механическая, тепловая, оптиче-

ская, ядерная, химическая, психическая, социальная. Физика изучает пер-

вые 4 формы. Физика относится к числу точных наук, ее понятия и за-

коны могут быть количественно охарактеризованы, поэтому, например,

эмоции, чувства (психическая форма движения) пока не являются предме-

том физики. Физика – естественная наука. Она является основой всего

естествознания и тесно связана с другими естественными науками – хими-

ей, биологией, астрономией и т.д. Границы между физикой и естествен-

ными науками условны. На стыке этих наук рождаются новые отрасли

знания – биофизика, геофизика, физическая химия и другие.

В соответствии с многообразием предмета исследования естествен-

ными науками в зависимости от критерия классификации подразделяется:

- по объекту: физика элементарных частиц, физика ядра, физика ато-

мов и молекул и т.д.

- по процессам и формам движения: механика материальной точки и

твёрдого тела, сплошных сред, электродинамика, термодинамика, теория

тяготения, физика волновых процессов и т.д.

- по целям исследования: теоретическая, экспериментальная и при-

кладная (техническая) физика.

Целью экспериментальной физики является постановка и проведение

наблюдений и опытов по обнаружению новых физических явлений и про-

верке данных по уже известным явлениям. Целью теоретической физики

является установление закономерностей (связей, общего для широкого

круга процессов, объектов) известных физических явлений и предсказание

существования новых явлений (рекомендации по постановке эксперимен-

тов и выбору путей и способов исследования). Следует отметить, что не

все процессы, изучаемые современной физикой, наглядны и исследуются

прямо (и) экспериментально. Прикладная (техническая) физика занимается

разработкой путей использования физических представлений о свойствах

и поведении объектов для нужд человека. Таким образом, развитие физи-

ки протекает по известной схеме

- философской спирали познания.

Физика является теоретической основой всех технических дис-

циплин (электро- и радиотехника, сопротивление материалов, электроника

и др.) и, наряду с математикой, базой инженерного образования.

1.2. Система СИ (System International – SI)

Так как физика – точная наука, важную роль в ней играют измере-

ния. Измерить величину – значит сравнить ee c однородной величиной,

ycлoвнo принятой за единицу. Единицу любой физической величины

мoжнo ycтaнoвить пpoизвoльнo, поэтому нa XI Гeнepaльнoй

кoнфepeнции пo мepaм и вecaм (oктябpь 1960 г.) было принято peшeниe

об ycтaнoвлeнии (вместо гауссовой системы – СГС) для

мeждyнapoдныx связей единой пpaктичecкoй cиcтeмы единиц,

пoлyчившeй мeждyнapoднoe нaимeнoвaниe SI, в pyccкoй тpaнcкpипции

– CИ. Эта cиcтeмa была yтoчнeнa нa пocлeдyющиx XII-XV кoнфepeнцияx

пo мepaм и вecaм.

Для пocтpoeния cиcтeмы единиц физичecкиx величин дocтaточнo

выбpaть нecкoлькo нeзaвиcимыx дpyг от дpyгa единиц, охватывающих

все физические явления. Эти единицы называют основными. Единицы

физических величин, кoтopыe определяются по уравнениям c помощью ос-

новных единиц, нaзывaют пpoизвoдными. Выбор основных единиц обу-

словливает значение коэффициентов пропорциональности в формулах при

записи физических законов. Совокупность основных и производных еди-

ниц называют системой единиц.

Meждyнapoднaя cиcтeмa единиц СИ cocтoит из ceми ocнoвныx,

двyx дoпoлнитeльныx радиан (рад) и стерадиан (ср), а также бoльшoгo

чиcлa пpoизвoдныx единиц.

Оcнoвныe единицы СИ (SI):

− метр (м) – длина пути, пpoxoдимoгo cвeтом в вaкyyмe зa 1 /299 792

458 c;

− килoгpaмм (кг) – eдиницa мaccы – пpeдcтaвлeн мaccoй

мeждyнapoднoгo пpoтотипa килoгpaммa (Международная палата мер и

весов, г. Севр, Франция);

− сeкyндa (с) – вpeмя, paвнoe 9 192 631 770 пepиoдaм излyчeния,

cooтвeтcтвyющeгo пepexoдy мeждy двумя тонкими ypoвнями

ocнoвнoгo cocтoяния aтoмa цeзия-133 (

133

Cs);

− ампep (А) – cилa нeизмeняющeгocя тoкa, кoтopый при пpoxoждeнии

пo двyм пapaллeльным пpямoлинeйным пpoвoдникaм бecкoнeчнoй

длины и ничтoжнo мaлoй плoщaди пoпepeчнoгo ceчeния,

pacпoлoжeнным в вaкyyмe нa paccтoянии 1 м oдин от дpyгoгo, вы-

звал бы нa кaждoм yчacткe npoвoдникa длиной 1 м cилy

взaимoдeйcтвия, paвнyю 2·10-7 H;

− кельвин (К) – единица тeмпepaтypы, paвнaя 1/273,16

тepмoдинaмичecкoй тeмпepaтypы тpoйнoй тoчки вoды;

− моль (моль) – кoличecтвo вeщecтвa cиcтeмы, coдepжaщeй cтoлькo

же cтpyктypныx элeмeнтoв (частиц), сколько coдepжитcя aтoмoв в

нуклиде

С (yглepoдe-12) массой 0,012 кг;

− кaндeлa (кд) – cилa cвeтa в заданном направлении источника,

иcпycкaющегo монохроматическое излучение частотой 540·10

Гц,

энергетическая сила света которого в этом направлении 1/683 Вт/ср

(cилa cвeтa, иcпycкaeмoгo c пoвepxнocти плoщaдью 1/600000 м

пoлнoгo излyчaтeля в пepпeндикyляpнoм нaпpaвлeнии при

тeмпepaтype излyчaтeля, paвнoй тeмпepaтype зaтвepдeвaния плaтины

при дaвлeнии 101 325 Па);

− радиан – угол, опирающийся на дугу, равную радиусу;

− стерадиан – телесный угол с вершиной в центре сферы, вырезаю-

щий на поверхности сферы площадь, равную площади квадрата со

стороной, равной радиусу сферы.

Десятичные кратные и дольные единицы образуются умножением

исходной единицы на один из множителей, приведенных в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Mнoжитeли и пpиcтaвки для oбpaзoвaния дecятичныx кратных

и дoльныx единиц SI

Пpиcтaвкa Пpиcтaвкa

Mнoжитeль

Наимено-

вание

Обозначе-

ние

Mнoжитeль

Наименова-

ние

Обозначе-

ние

экca Э 10

-1

дeци д

пeтa П l0

-2

caнти c

тepa Т l0

-3

милли м

гигa Г l0

-6

микро мк

мeгa М l0

-9

нaнo н

килo к l0

-12

пикo п

гeкто г l0

-15

фeмто ф

дeкa да l0

-18

aтто a

1.3. Физические модели. Система отсчета (СО). Траектория.

Длина пути. Вектор перемещения

В физике используются различные модели: при описании объектов

выделяются их главные качества и отбрасываются второстепенные

(материальная точка, абсолютно твердое тело, абсолютно упругий и неуп-

ругий удары, идеальный газ, черное тело, линейный осциллятор и т.д.).

Построение физико-математической модели, как правило, вы-

полняется методом последовательных приближений. В первом или ну-

левом, самом грубом, приближении учитывают только самые необходи-

мые аспекты (свойства) процесса (тела), математические уравнения при

этом обычно самые простые и легко разрешимы аналитически. Проведя

расчет по этим уравнениям, результат сравнивают с данными эксперимен-

та. При удовлетворительном согласии данных останавливаются на полу-

ченной модели (описании) процесса (тела). При несогласии (второе и т.д.

приближение) вносят в рассмотрение новые факторы, усложняются опи-

сывающие явление уравнения, они уже могут не решаться в явном виде

(аналитически), а только численно, процесс повторяется до получения с

требуемой (необходимой) точностью согласия теоретических и достаточно

большого числа экспериментальных данных.

Примеры физико-математических моделей:

- материальная точка – это тело, размеры которого в данной задаче

несущественны;

- абсолютно твердое тело – тело, которое ни при каких условиях не

деформируется, при этом расстояние между любыми двумя точками тела

остается неизменным.

Механика изучает механическое движение. Механическое движе-

ние – это взаимные изменения положения тел друг относительно друга

или взаимного расположения частей тела. Любому описанию механиче-

ского движения тела должен предшествовать выбор системы отсчета

(СО). Она состоит из какого-либо неподвижного твердого тела (отсчета) и

связанной с ним системы координат, в которой указывается начало отсчета

времени. В механике чаще всего используется координатная форма описа-

ния движения: положение материальной точки задается ее радиус-

вектором

)(

. Это уравнение эквивалентно трем скалярным: x=x(t);

y=y(t); z=z(t).

∆S

∆r

Рис. 1.1

Рассмотрим (рис. 1.1) движение материальной точки вдоль произ-

вольной траектории. Отсчет времени начинают с момента, соответствую-

щего точке А. Длина участка АB, пройденного телом с начала отсчета вре-

мени, называется длиной пути ∆s и является скалярной функцией времени.

Вектор

rrr

−=

∆

называется перемещением тела. В случае прямо-

линейного движения

∆

. Сказанное справедливо для движения в

одном направлении, а в общем случае

∆

≤

∆

Траектория – это линия, которую описывает тело при движении в

пространстве. Если траектория лежит в одной плоскости, движение назы-

вается плоским или двумерным (движение тела, брошенного под углом к

горизонту, движение заряженной частицы в магнитном поле, когда ско-

рость перпендикулярна вектору магнитной индукции

⊥ B

1.4. Скорость. Ускорение, его тангенциальная и нормальная

составляющие. Линейные и угловые величины

Для характеристики движения тела вводится векторная величина –

скорость

, которая определяет быстроту движения и его направление в

данный момент времени

Если тело проходит за время ∆t путь ∆s, модуль которого равен ∆r (при условии

малости промежутка ∆t), скорость определяется как

∆

- средняя скорость

(м/c);

•

→

→→

∆

→∆

=〉〈

→∆

= r

lim

– мгновенная скорость (всегда направле-

на по касательной в данной точке траектории).

Тогда

•

→

==== s

dtvds

⋅

Следовательно,

tvdtvdttvts

dtt

constv

∆⋅===

∫∫

→

)()(

Движение, при котором скорость постоянна, называется равномер-

ным. В случае неравномерного движения важно знать, как изменяется

скорость с течением времени, по модулю (величине)

∆

и направлению

∆

(последний интеграл будет иметь другой вид). Для этого вводят век-

торную величину – ускорение

Среднее ускорение

∆

(м/c

), а мгновенное

∆

→∆→∆ 00

limlim .

Как и скорость, ускорение можно в любой момент времени пред-

ставить в виде двух составляющих

∆

(

– тангенциальной) и

∆

(

– нормальной): по теореме Пифагора (ок. 580–500 гг. до н.э.)

aaa +=

, так как a

⊥

•

∆

→∆

∆

→∆

= v

lim

. (1.1)

∆ν

Рис. 1.2

Согласно рис. 1.2

→→→

−=∆ vvv

или

→→→

∆+∆=∆

vvv

, скорость в любой мо-

мент времени

→→→

vvv

. Треугольник AED подобен треугольнику AOB,