Методические указания к выполнению компьютерной программы «Физика» по дисциплине «Концепции современного естествознания» санкт-петербург (стр. 1 из 5)
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«ПЕТЕРБУРГСКИЙ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ»
Кафедра «Инженерная химия и естествознание»
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ФИЗИКИ
Методические указания
к выполнению компьютерной программы «Физика»
по дисциплине «Концепции современного естествознания»
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2005
1. Задачи и методы физики
Слово физика происходит от греческого слова (физис - природа) и первоначально обозначало естествознание (в широком смысле). С ростом наших познаний о явлениях природы возникла необходимость в разделении областей исследований. Сейчас физика охватывает только исследование мертвой природы с тем ограничением, что рассматриваются только такие изменения состояния тел, при которых состав вещества остается без изменения; в крайнем случае, может изменяться их агрегатное состояние (твердое, жидкое, газообразное).
Вопрос «Как и почему движутся тела?» волновал людей с незапамятных времен. До первой половины XVII в. в механике господствовало учение Аристотеля. Считалось, что тело движется только когда на него действует сила. Необходим был коренной перелом в создании исследователей, чтобы вообразить тела, скользящие без трения по бесконечным горизонтальным плоскостям. И только Г. Галилею удалось это сделать.
Новая физика начинается с Галилея (1564 - 1642), который первым ввел эксперимент как метод установления закономерных связей. При этом в основу физических исследований были положены мера и число.
Метод Галилея заключается в использовании сознательно видоизменяемых опытов и полученных из них серий измерений для установления обобщающих закономерностей. Этот путь от частного к общему называется индуктивным методом; он широко применяется в экспериментальной физике. Индуктивному методу противопоставляется дедуктивный метод. Предполагаемая причинная связь между различными физическими явлениями принимается как закон (гипотеза), и из нее выводятся соответствующие следствия для отдельных частных случаев. Если эти следствия подтверждаются экспериментом во всех без исключения случаев, то гипотеза превращается в теорию. Дедуктивный путь господствует в теоретической физике. Оба пути равноправны и применяются параллельно в физических исследованиях.
Современная физика включает большое количество разделов (механика, молекулярная физика, электродинамика, оптика и др.), направленных на изучение окружающего мира и создающих фундамент на котором развиваются такие отрасли техники как машиностроение, энергетика, радиотехника, электроника и многое – многое другое.
Механика
Механика изучает различные механические движения тел и причины, их вызывающие. Прочным фундаментом механики стали законы, разработанные И. Ньютоном (1643 - 1727) и изложенные впервые в 1687 г. в труде «Математические начала натуральной философии».
Эти законы, позволяют изучать самые разнообразные виды движения сложных механизмов и небесных тел.
Механическим движением тела называется перемещение данного тела относительно других тел, принятых за неподвижные. Система тел, относительно которых перемещается данное тело, и часы для отсчета времени называются системой отсчета. Положение тела в пространстве определяют координаты х, y, z. При механическом движении координаты тела меняются. Следовательно, механическое движение это изменение положения тела в пространстве с течением времени. Механическое движение имеет относительный характер.
Механика разделяется на кинематику, динамику и статику.
Кинематика
Кинематика изучает движение тел в пространстве без выяснения причин этого движения. По форме траектории движения разделяются на прямолинейные и криволинейные. Прямолинейным называется движение, траектория которого прямая линия. Криволинейным называется движение, траектория которого кривая линия. Примером криволинейного движения может быть движение тела по окружности или движение тела брошенного горизонтально и под углом к горизонту.
Траекторией называется линия, которую описывает тело при своем движении. Расстояние, измеряемое вдоль траектории, называется путем. Путь – скалярная величина, так как не указывает направление движения. Путь не всегда может указывать положение тела в пространстве с течением времени и определяется по формуле:
,где v – скорость, также скалярная величина, показывающая численное значение длины пути, пройденного телом за единицу времени; t – время.
Для определения движения тела служит величина, называемая перемещением. Перемещение тела - это вектор, соединяющий начальную и конечную точки траекторий, определяемое по формуле:
где
– вектор скорости.Пусть точка А начального положения тела, движущегося прямолинейно и равномерно, определена координатой х0, тогда через время t оно окажется в точке В с координатой х. Перемещение
Численное значение перемещения равно х – х0 = vt или х = х0 + vt.
Таким образом, зная координаты начального положения тела и вектор скорости, можно точно узнать координаты нахождения тела в любой момент времени. При совмещении в прямолинейном движении перемещения тела с направлением оси 0х, получим, что перемещение и путь окажутся численно равными. Поэтому при изучении прямолинейного и равномерного движения пользуются формулой пути (s=vt).
Прямолинейное движение бывает равномерным, равнопеременным и неравномерным. При равномерном движении тело за равные промежутки времени проходит одинаковые отрезки пути.
Движение, при котором за любые равные промежутки времени тело проходит одинаковые отрезки пути, называется равномерным. Движение, при котором за единицу времени скорость изменяется на постоянную величину, называется равнопеременным.
Величина, характеризующая изменение скорости за единицу времени, называется ускорением. При равнопеременном движении ускорение величина постоянная. Величина выражается формулой:
где v – конечная скорость; v0 – начальная скорость; t – время, за которое произошло данное изменение скорости.
Ускорение и скорость характеризуются не только численным значением, но и направлением, т.е. являются векторными величинами.
Если скорость равнопеременного движения возростает (v > v0), то ускорение будет положительным, и движение называется равноускоренным. Если скорость равнопеременного движения уменьшается (v0 > v), то ускорение бедет отрицательным, и движение называется равнозамедленным. За единицу измерения ускорения в системе СИ принято такое ускорение, при котором скорость изменяется на один метр в секунду (1 м/с) за секунду, т.е. 1 м/с2.
Мгновенной скоростью неравномерного движения называется скорость в данный момент времени. Мгновенная скорость для равнопеременного движения, выражается формулой:
v = v0 +а t.
Если начальная скорость v0 = 0, то v = а t.
Средней скоростью неравномерного движения называется скорость такого равномерного движения, при котором тело проходит такой же путь и за такое же время, как и при данном неравномерном движении:
vср= s / t
Для равнопеременного движения средняя скорость определяется как среднее арифметическое начальной и конечной скоростей:
Путь равнопеременного движения с начальной скоростью выражается как произведение средней скорости на время движения:
или 
.Если начальная скорость равна нулю, то 
Свободным падением называется падение тел в безвоздушном пространстве под действием силы тяжести. Свободное падение является равноускоренным движением. Ускорение свободного падения тел зависит от географической широты и высоты над уровнем моря. При решении задач принято пользоваться средним значением ускорения свободного падения, равным 9,81 м/с2.