Эффектом Доплера называют изменение частоты колебаний, воспринимаемых приемником при движении приемника и источника относительно друг друга. 1 страница
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«КЕРЧЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МОРСКОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра математики, физики и информатики
Кузьменко С.Н., Попова Т.Н., Прудкий А.С.
ФИЗИКА
РАЗДЕЛ «МЕХАНИКА»
Курс лекций
для студентов и курсантов специальностей:
26.05.05 | «Судовождение», |
26.05.07 | «Эксплуатация судового электрооборудования и средств автоматики», |
26.05.06 | «Эксплуатация судовых энергетических установок» |
и для студентов направлений подготовки:
13.03.02 | «Электроэнергетика и электротехника», |
15.03.02 | «Технологические машины и оборудование», |
19.03.03 | «Продукты питания животного происхождения» |
очной и заочной форм обучения
Керчь, 2016 г.
СОДЕРЖАНИЕ
Введение …….…………………………………………………………………….…... | 4 |
Основные понятия механики. Кинематика ……………………………..... | 8 |
1 Предмет механики ……………………………………………….……... 2 Основные понятия механики ………………………………….…….. 3 Кинематика ………………………………………………………….…… 4 Равномерное движение …………………………………….…………. 5 Равноускоренное движение ……………………………….…………. 6 Примеры решения задач ……………………………………………… | 9 9 11 12 13 14 |
Кинематика движения по окружности. Криволинейное движение ………………………………………………………………………. | 18 |
1 Вращательное движение. Угловые величины ……………….….. 2 Взаимосвязь между линейными и угловыми величинами …… 3 Система кинематических уравнений, описывающих равнопеременное движение по окружности …………………..…. 4 Система кинематических уравнений, описывающих движение тела, брошенного под углом к горизонту ………….... 5 Примеры решения задач ……………………………………………… | 18 19 21 20 23 |
Динамика ……………………………………………………………………….……. | 27 |
1 Основные понятия динамики …………………………………..……. 2 Первый закон Ньютона ………………………………………….……. 3 Второй закон Ньютона …………………………………………….….. 4 Третий закон Ньютона …………………………………………….….. 5 Виды сил в природе. Сила всемирного тяготения ………….….. 6 Силы упругости ……………………………………………………….… 7 Сила тяжести ………………………………………………………….…. 8 Вес тела …………………………………………………………………… 9 Силы реакции ………………………………………………………….… 10 Силы трения ……………………………………………………………... 11 Принцип относительности Галилея. Закон сложения скоростей ………………………………………………………………..… 12 Примеры решения задач ……………………………………………...… | 27 28 28 29 29 31 33 33 34 35 37 39 |
Закон сохранения импульса. Реактивное движение. Закон движения центра масс …………………………………………………….. | 45 |
1 Механические системы ……………………………………………..… 2 Импульс …………………………………………………………..………. 3 Закон сохранения импульса …………………………………………. 4 Однородность пространства ……………………………………….… 5 Центр масс …………………………………………………………….…. 6 Закон движения центра масс ………………………………………… 7 Уравнение движения тела переменной массы ……………….….. 8 Формула Циолковского …………………………………………….…. 9 Примеры решения задач ……………………………………………… | 45 45 46 47 47 48 49 50 52 |
Работа, мощность, энергия. Закон сохранения полной механической энергии ………………………………………………….…. | 56 |
1 Механическая работа ………………………………………………….. 2 Мощность ……………………………………………………………….... 3 Энергия ………………………………………………………………….… 4 Кинетическая энергия ……………………………………………….… 5 Потенциальные и непотенциальные силы ……………………….. 6 Потенциальная энергия тела в однородном поле тяжести …… 7 Центральные силы ……………………………………………………... 8 Потенциальная энергия гравитационного взаимодействия ….. 9 Потенциальная энергия упругой деформации …………………... 10 Полная механическая энергия …………………………………….… 11 Закон сохранения полной механической энергии ……………… 12 Примеры решения задач ……………………………………………… | 56 56 57 58 58 59 60 60 61 61 61 63 |
Динамика вращательного движения твердого тела …………………… | 67 |
1 Момент силы …………………………………………………………….. 2 Момент импульса ………………………………………………………. 3 Основное уравнение динамики вращательного движения …... 4 Закон сохранения момента импульса ……………………………... 5 Абсолютно твердое тело ……………………………………………… 6 Кинематика движения твердого тела ……………………………… 7 Момент импульса вращающегося твердого тела с закрепленной осью вращения …………………………………….…. 8 Основное уравнение динамики вращательного движения твердого тела с закрепленной осью вращения ………………….. 9 Момент инерции твердого тела …………………………………….. 10 Примеры вычисления моментов инерции …………………….….. 11 Теорема Гюйгенса-Штейнера ……………………………………….. 12 Кинетическая энергия вращательного движения …………….… 13 Работа при вращательном движении ……………………………… 14 Аналогия между поступательным и вращательным движением ………………………………………………………………... 15 Гироскоп и его свойства ……..…….……..………….……………….. 16 Примеры решения задач …………………………….……………..…. | 68 69 69 70 71 71 72 73 73 74 77 77 78 79 81 88 |
Статика. Условия равновесия …………………………………………….….. | 93 |
1 Предмет статики ………………………………………………………….. 2 Центр тяжести тела ……………………………………………..…..….. 3 Условия равновесия …………………………………………………….. 4 Теория рычага Архимеда ……………………………………….…….. 5 Примеры решения задач ……………………………………………… | 93 93 95 98 99 |
Механические колебания …………………………………………………….… | 104 |
1 Механические колебания. Уравнения малых колебаний …….. 2 Свободные гармонические колебания …………………………….. 3 Пружинный осциллятор …………………………………………….… 4 Физический маятник ……………………………………………….….. 5 Математический маятник ………………………………………….….. 6 Затухающие колебания …………………………………………….…. 7 Вынужденные колебания …………………………………………….. 8 Резонанс …………………………………………………………………... 9 Автоколебания ………………………………………………………….. 10 Примеры использования механических колебаний …………… | 105 106 107 107 108 109 110 111 112 113 |
Волны ……………………………………………………………………………….… | 117 |
1 Характеристики волны ………………………………………………... 2 Уравнение бегущей волны …………………………………………… 3 Волновое уравнение …………………………………………………… 4 Принцип суперпозиции волн ………………………………………... 5 Интерференция волн ……………………………………………….….. 6 Стоячие волны ……………………………………………………….….. 7 Звуковые волны …………………………………………………….…… 8 Эффект Доплера ………………………………………………………… 9 Примеры проявления и использования волновых явлений ….. | 118 120 121 121 122 123 123 127 129 |
Механика жидкостей и газов …………………………………………………. | 142 |
1 История возникновения механики жидкостей и газов ………... 2 Основы гидростатики ………………………………………………….. 3 Основы гидродинамики ………………………………………………. 4 Примеры применения и решения задач ………………..…………. | 142 145 148 1 55 |
Список использованной и рекомендованной литературы ……….….. | 1 60 |
Ресурсы ………………………………………………………………………….……. | 1 6 0 |
ВВЕДЕНИЕ
|
|
|
|
|
|
|
|
Современная физика является многопрофильной наукой, охватывающей чрезвычайно большое число различных по содержанию научных направлений, представляющих фундамент естественных и технических дисциплин.
Основной целью изучения дисциплины «Физика» для будущих специалистов и инженеров является как закрепление теоретических знаний, полученных в процессе освоения школьной программы, так и получение новых теоретических знаний для решения практических проблем, связанных, прежде всего, с энергетикой и технологиями.
К другимважным целям изучения дисциплины относятся:
© раскрытие ключевой роли физики в научно-техническом прогрессе цивилизации;
© развитие умений и навыков научного исследования;
© формирование научно-культурного мировоззрения студентов;
© воспитание у студентов аналитического физического мышления с приложением фундаментальных законов физики к объяснению естественных явлений и научно-технических проблем цивилизации;
© формирование целостного (системного) представления о природе и обществе.
Задачи курса:
© овладение студентами и курсантами научными методами познания окружающего мира;
© усвоение важнейших теоретических физических законов;
© обучение методам решения практических физических задач;
© освоение всей программы курса и приобретение навыков самостоятельной познавательной деятельности.
Дисциплина «Физика» входит в состав базовой части математического и естественнонаучного цикла ООП для студентов и курсантов очной и заочной форм обучения специальностей 26.05.05 «Судовождение», 26.05.07 «Эксплуатация судового электрооборудования и средств автоматики», 26.05.06 «Эксплуатация судовых энергетических установок» и направлений подготовки 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника», 15.03.02 «Технологические машины и оборудование», 19.03.03 «Продукты питания животного происхождения». Дисциплина изучается во втором и третьем семестрах.
Дисциплина «Физика» раздел «Механика» является базовой для изучения общеинженерных и профессиональных дисциплин: безопасность жизнедеятельности, механика, материаловедение, метрология, теория и устройство судна, технические средства судовождения, радиосвязь и телекоммуникации, гидрометеорологическое обеспечение судоходства, процессы и аппараты, автоматизированные системы, участия в НИР и выполнения выпускной квалификационной работы.
После изучения дисциплины студенты и курсанты должны:
знать:
© смысл основных физических понятий изучаемых разделов дисциплины;
© содержание и физический смысл фундаментальных законов;
© физический смысл основных единиц физических величин и физических постоянных;
© основное содержание физических принципов функционирования промышленных, технических и экологических объектов;
уметь:
© анализировать физические явления и выделять «управляющие» этими явлениями законы;
© применять математические формы физических законов для решения практических задач;
© находить взаимосвязь и взаимообусловленность физических понятий и законов;
© использовать физические принципы и методы для объяснения природных явлений, искать пути решения технологических проблем;
владеть:
© основными способами и навыками решения практических задач;
© навыками работы с научной и справочной литературой;
© методами проведения физических измерений и корректной оценки погрешностей;
© основными приемами обработки экспериментальных данных.
Курс лекций по дисциплине «Физика» раздел «Механика» содержит ответы на все вопросы тематического плана дисциплины. В конце каждой лекции даются вопросы и задания для самостоятельной работы и самопроверки студентов, а также список использованной и рекомендуемой литературы по данной теме.
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ МЕХАНИКИ. КИНЕМАТИКА
План
1 Предмет механики.
2 Основные понятия механики.
3 Кинематика.
4 Равномерное движение.
5 Равноускоренное движение.
6 Примеры решения задач.
Из истории науки. Возникновение и развитие механики как науки связано с историей развития производительных сил общества, с уровнем производства и техники на каждом этапе развития человечества.
Еще в эпоху неолита и бронзового века появилось колесо, позже – рычаг, наклонная плоскость. Народы, создавшие древние цивилизации в бассейнах Нила, Тигра и Евфрата, были знакомы с рычагом и клином. Для сооружения громаднейших пирамиды Хеопса (3 тыс. лет до н.э.) – было использовано 23,6 млн каменных глыб, средний вес которых достигал 2,5 т. А некоторые «камни» достигали сотни тонн. Для перемещения таких грузов использовались специальные салазки, а для отрыва каменных глыб от породы – клин. Подъем грузов на высоту осуществлялся по наклонной плоскости с помощью рычага. В древнем Египте использовали рычаг и для подъема воды (шадуф), а в Азии строили усовершенствованный шадуф, которым там пользуются и в наше время.
В IV-III вв. до н.э. в Греции появились блок, винт, пресс, зубчатые колеса, червячная передача, насос.
Таким образом, механика является самым древним разделом физики. Термин «механика» произошел от греческого слова «μηχανή» (mēchanikos), что по-современному означает «сооружение», «машина», «изобретение». В наше время механику определяют как науку обо всех видах механического движения.
Впервые термин «механика» появляется в произведениях выдающегося философа древности Аристотеля (384-322 гг. до н.э.). Он рассматривал механическое движение как изменения в общем, различая качественные, количественные изменения в пространстве.
В «Метафизике» Аристотель поставил вопрос о причинах движения и его изменениях. Первоисточником движения Аристотель считал некоторую силу (δύναμιζ). Для «естественных» движений, которые осуществляются сами по себе, сила присуща самому телу, а для «насильственных» движений, т.е. под действием внешнего вмешательства, сила является причиной движения и зависит от «активности» источника движения. Таким образом, по Аристотелю, сила – причина движения и должна непрерывно поддерживать движение.
Во времена Аристотеля механика развивалась очень медленно. И только один скачок в развитии механики связывают с именем выдающегося механика – Архимеда (287-212 гг. до н.э.). Он сделал много открытий в математике, гидростатике, заложил основу механики как новой науки.
В 1687 году вышел в свет труд английского ученого И. Ньютона (1643-1727) «Математические начала натуральной философии» («Начала»), в которой автор, используя геометрию Евклида (325-265 гг. до н.э.) и научные знания, накопленные к тому времени, создал классическую механику, объясняющую законы движения тел достаточно больших масс.
«Начала» открыли новый период в истории физики, так как в них впервые в истории науки содержалась законченная система механики, законы которой управляют большим количеством процессов в природе.
1 Предмет механики
Механика – раздел физики, изучающий механическое движение.
Разделами, составляющими курс «Механики» являются: кинематика, динамика, динамика вращательного движении, законы сохранения, статика, гидростатика и гидродинамика, механические колебания и волны. Все разделы механики взаимосвязаны между собой (рис. 1.1).
В физике для облегчения описания движения тел в зависимости от условий конкретных задач используют различные физические модели: материальная точка, абсолютно твердое тело, идеальный газ, точечный заряд, абсолютно черное тело и т.д.
В кинематике используется физическая модель тела, в которой пренебрегается размерами и деталями движения его частей – материальная точка.
Основные понятия механики
Основными понятиями «Механики» являются пространство, время, механическое движение, перемещение.
В классической механике время – абсолютно и однородно (теория относительности доказывает, что время может сжиматься, растягиваться); пространство – однородно и изотропно. Перечисленные свойства пространства и времени приводят в механике к законам сохранения:
- однородность времени приводит к закону сохранения энергии.
- однородность пространства – к закону сохранения импульса.
- изотропность пространства – к закону сохранения момента импульса.
Механическим движением называется изменение положения тел в пространстве относительно других тел с течением времени.
Из истории науки. В XIV в. немецкий математик А. Саксонский (1316-1390) ввел деление движения на поступательное, вращательное, равномерное и переменное и определил, что свободное падение не является равномерным движением.
Поступательное – это движение, при котором все точки тела перемещаются параллельно друг другу (корпус судна, корпус автомобиля, резец токарного станка и т.д.).
Вращательное – это движение, при котором все точки тела движутся по окружностям, центры которых лежат на одной прямой, называемой осью вращения (вентилятор, деталь на токарном станке, ротор двигателя и т.д.).
Вращательно-поступательное – это движение, при котором все точки одновременно вращаются и поступательно перемещаются (колеса автомобиля, винт корабля, винты двигателя самолета и т.д.).
Для описания механического движения выбирают удобное для решения задачи тело отсчета, связанную с ним систему координат и часы (рис. 1.2).
От выбора тела отсчета и системы координат зависит сложность решения задач по «Механике.
Если материально точка прошла какой-то путь из точки 1 с координатами X 1, Y 1, Z 1 в точку 2 с координатами X 2, Y 2, Z 2 , то линия, по которой она двигалась, называется траекторией. Длина траектория равна пройденному пути.
В декартовой системе координат существует два способа описания механического движения: координатный и векторный.
Зависимость координат от времени X ( t ), Y ( t ), Z ( t ) определяет координатный способ описания механического движения.
При векторном описании механического движения в каждый момент времени задается радиус-вектор тела или материальной точки. Радиус-вектор – вектор, направленный из начала координат в точку, в которой находится центр тяжести тела либо материальная точка.
В декартовой системе координат координатный и векторный способы связаны между собой соотношением: , где – единичные базисные векторы.
Приращение радиус-вектора называют вектором перемещения.
Дата добавления: 2021-05-18; просмотров: 63; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!