WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 |
Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского Национальный исследовательский университет Учебно-научный и инновационный комплекс "Новые многофункциональные материалы и нанотехнологии" Игнатов С.К.

МЕХАНИКА.

КУРС ЛЕКЦИЙ ДЛЯ СТУДЕНТОВ ХИМИЧЕСКИХ СПЕЦИАЛЬНОСТЕЙ Электронное учебное пособие Мероприятие 1.2. Совершенствование образовательных технологий, укрепление материально-технической базы учебного процесса Учебные дисциплины: «Общая физика» Специальности, направления: Направление подготовки 020100 «Химия», специальности 020101 «Химия», 020801 «Экология», 240306 «Химическая технология монокристаллов, материалов и изделий электронной техники» Нижний Новгород 2010 2 МЕХАНИКА. КУРС ЛЕКЦИЙ ДЛЯ СТУДЕНТОВ ХИМИЧЕСКИХ СПЕЦИАЛЬНОСТЕЙ. Игнатов С.К. Электронное учебное пособие. – Нижний Новгород: Нижегородский госуниверситет, 2010. – 102 с.

Мероприятие 1.2. Совершенствование образовательных технологий, укрепление материально-технической базы учебного процесса.

В настоящем учебном пособии представлен курс лекций, разработанный на основе учебной программы «Общая физика» для студентов химического факультета. В отличие от известных курсов и стандартных учебников, в данном пособии более подробно рассмотрены вопросы, приближающие курс общей физики к специальности «химия», сделан акцент на вопросах физической теории, вызывающие затруднения студентов при изучении химических дисциплин. В частности, кратко изложена теория движения вращающегося тела по орбите (основа теории спина и спинорбитального взаимодействия), вращения тел вокруг неподвижной точки (основы теории микроволновой спектроскопии), движения тел в сильных гравитационных полях (основы центрифугирования).

Электронное учебное пособие предназначено для студентов ННГУ, обучающихся по направлению подготовки 020100 «Химия» и специальностям 020101 «Химия», 020801 «Экология», 240306 «Химическая технология монокристаллов, материалов и изделий электронной техники».

СОДЕРЖАНИЕ ПРЕДИСЛОВИЕ..................................................................................................... Список рекомендуемой литературы.................................................................. Список сокращений (в алфавитном порядке)................................................... КИНЕМАТИКА ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ МАТЕРИАЛЬНОЙ ТОЧКИ..................................................................................................................... Основные понятия кинематики.......................................................................... Единицы измерения времени и длины.............................................................. Ускорение при криволинейном движении...................................................... Законы движения для скоростей и координат при прямолинейном движении............................................................................................................ Законы движения при равномерном движении МТ по окружности............ Частные случаи движения по окружности...................................................... ДИНАМИКА МАТЕРИАЛЬНОЙ ТОЧКИ......................................................... Первый закон Ньютона..................................................................................... Сила..................................................................................................................... Второй закон Ньютона...................................................................................... Третий закон Ньютона...................................................................................... Выводы к разделам «Законы Ньютона».......................................................... Следствия из законов Ньютона........................................................................ Закон сохранения импульса.............................................................................. Закон движения центра масс............................................................................ ЭНЕРГИЯ, РАБОТА И МОЩНОСТЬ................................................................ Кинетическая энергия....................................................................................... Потенциальная энергия..................................................................................... Непотенциальные поля: поля диссипативных и гироскопических сил....... Свойства потенциальной энергии.................................................................... Закон сохранение полной механической энергии.......................................... УДАР УПРУГИХ И НЕУПРУГИХ ТЕЛ............................................................ Абсолютно упругий удар.................................................................................. Абсолютно неупругий удар.............................................................................. ДИНАМИКА ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ............................................. Вращение вокруг неподвижной оси................................................................ Уравнение динамики вращения тела вокруг оси........................................... Расчет моментов инерции тел различной формы........................................... Момент импульса............................................................................................... Примеры проявления законов сохранения момента импульса..................... Сложение моментов импульса. Модель спин-орбитального взаимодействия.............................................................................................................................. Аналогия между вращательным и поступательным движением.................. Вращение тела вокруг неподвижной точки.................................................... Приложения теории вращения твердого тела в химии.................................. ДВИЖЕНИЕ В НЕИНЕРЦИАЛЬНЫХ СИСТЕМАХ ОТСЧЕТА.................... Силы инерции в НСО, движущихся поступательно...................................... Силы инерции, действующие на вращающееся тело..................................... Силы инерции, действующие на тело, движущееся во вращающейся НСО.............................................................................................................................. СПЕЦИАЛЬНАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ......................................... Переход между различными ИСО в Ньютоновской механике..................... Основные положения специальной теории относительности...................... Геометрическая интерпретация СТО.............................................................. ПРЕДИСЛОВИЕ Материал пособия изложен в том порядке, в каком он излагается на лекциях по общей физике для студентов 1 курса химического факультета (2 семестр).



Разделения на отдельные лекции нет, вместо этого материал разделен на темы. Материал, помеченный знаком, представляет собой определения или основные законы. Они обязательны для изучения и соответствуют формулировкам вопросов коллоквиумов и предэкзаменационных тестов (но далеко не исчерпывают их). Материал, помеченный серым шрифтом, необязателен для изучения, обычно это математические выводы повышенной сложности для студентов с хорошей математической подготовкой. Формулы в рамках, а также подчеркнутый жирный шрифт выделяет материал, на который следует обратить внимание. Текст курсивом выделяет вопросы, логически подводящие к изложению последующего материала. Нумерация формул приводится только там, где на них есть ссылки далее в тексте.

Материал в целом основан на изложении механики в учебниках Савельева и Трофимовой, рекомендованных в качестве основных учебников по общей физике для студентов химического факультета ННГУ. Однако, для проработки материала, непонятного на основе приведенных лекций, а также для ознакомления с дополнительным материалом (весьма объемным и зачастую очень познавательным), рекомендуется использовать дополнительные учебники, приведенные в разделе «Список рекомендованной литературы». Автор очень рекомендует студентам относиться к этой литературе не как к «материалу для заучивания» в ночь перед экзаменом, а как к легкому и непринужденному чтению в свободное время во время семестра. Во время этого чтения можно пропускать сложные выводы, но обращать внимание на смысл описываемых явлений, логику выводов и скрытую взаимосвязь казалось бы разнородных явлений, красоту и изящество картины природы, возникающей по мере того как человек усваивает научный взгляд на мир.

Список рекомендуемой литературы 1. Савельев И.В. Курс общей физики. Т.1. Механика, колебания и волны, молекулярная физика. – М.: Наука, 1970 – 511 с.

2. Трофимова Т.И. Курс физики: Учеб. пособ. для вузов. – М.: Высшая школа, 1990. – 478 с.

3. Иродов И.Е. Основные законы механики. – М. Наука, 1990. – 247 с.

4. Сивухин Д.В. Общий курс физики Т.1. Механика. – М.: Наука, 1979. – 520 с.

5. Матвеев А.Н. Механика и теория относительности. – М.: ОНИКС век, Мир и образование, 2003. – 432 с.

6. Джанколи Д. Физика. Т.1. – М.: Мир, 1989. – 656 с.

Часть этой литературы в настоящее время может быть найдена в Интернет, в частности на сайте кафедры фотохимии и спектроскопии ННГУ http://ichem.unn.ru/pcs Список сокращений (в алфавитном порядке) ГМИ Главные моменты инерции ЗН Закон Ньютона ЗСИ Закон сохранения импульса ИКС Инфракрасная спектроскопия ИМТ Изолированная материальная точка ИСО Инерциальная система отсчета КЭ Кинетическая энергия МВС Микроволновая спектроскопия МТ Материальная точка НСО Неинерциальная система отсчета ОТО Общая теория относительности ПЭ Потенциальная энергия СО Система отсчета СТО Специальная теория относительности ЦМ Центр масс КИНЕМАТИКА ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ МАТЕРИАЛЬНОЙ ТОЧКИ Основные понятия кинематики Механика – раздел физики, изучающий движение тел в пространстве.

Движение – изменение положения тела в пространстве в зависимости от времени.

Кинематика – раздел механики, изучающий движение тел, независимо от причины их движения.

Простейшим объектом механики и, в частности, кинематики является материальная точка.

Материальная точка (МТ) – тело, размерами которого в данной задаче можно пренебречь.

- МТ характеризуется только положением и массой.

- МТ – это абстрактное понятие: идеальной МТ не существует - Во многих задачах можно выделить тела, которые с хорошей степенью точности описываются как МТ, напр. солнечная система (солнце, планеты, их спутники – МТ) Как описать движение МТ Описание движения – это описание изменения положение тела во времени. Любое положение (и, следовательно, любое движение) можно описать только относительно других тел. Для этого необходимо выбрать тело отсчета.

Описание положения точки относительно тела отсчета – это определение расстояний от данной МТ до точек тела отсчета. Для однозначного описания положения МТ в трехмерном пространстве необходимо 4 опорных точки, не лежащих в одной плоскости. Таким образом:

Тело отсчета - любое тело, имеющее 4 точки (1,2,3,4), не лежащие в одной плоскости, расстояния между которыми в процессе наблюдения не изменяются.

Описание положения материальной точки M в пространстве – это определение 4 расстояний до опорных точек 1, 2, 3, 4, например:





rM rrr1 Определение расстояний в конечном итоге всегда сводится к сравнению отрезков с некоторым числом эталонов длины (например, делений линейки). Длина – это число единичных эталонов длины (или их долей), соответствующих данному расстоянию.

Движение точки можно описать, зная изменение положения в ходе определенного промежутка времени. Определение времени возможно путем отсчета единичных интервалов длительности (или их долей), задаваемых эталоном времени (например, длительностью колебания маятника в часах).

Наиболее точным эталоном времени в современной науке служит период колебаний электромагнитной волны, излучаемой определенными атомами (см. ниже «Единицы измерения времени и длины»). Эталоном расстояния – расстояние, проходимое светом в вакууме за единицу времени.

Длина и длительность этих эталонов выражена в единицах длины и времени.

Единицы измерения времени и длины В настоящее время исходными величинами для определения интервалов времени и длины являются секунда и скорость света в вакууме. Скорость света в вакууме принята в качестве точной физической константы. Метр является производной единицей, определяемой на основе этих двух величин.

[t] = 1 секунда = 1 с Секунда – интервал времени равный 9192631770 периодов излучения между сверхтонкими уровнями Cs при T = 0 К в отсутствии внешних полей. (1983 г.) (Примечание: В наст. время самые точные атомные часы (США, 2009 г) на изотопах Аl и Mg «уходят» на 1 с за 4 млрд лет (время жизни Вселенной ~13.5 млрд лет) Скорость света в вакууме c = 299792458 м/с (принята точной величиной с 1983 г.) ~1 079 252 848.8 км/ч [L] = 1 метр = 1 м Метр – длина пути, проходимая светом в вакууме за (1/299792458) секунды. (1983 г.) До 1983 г. метр являлся исходной величиной (использовался эталон «Парижский метр»), а скорость света – производной. Это определение до сих пор часто встречается в старых справочниках.

Совокупность тела отсчета, эталона времени и эталона длины называют системой отсчета (СО).

Обратите внимание, что все составляющие СО – тело отсчета, эталон расстояния, эталон времени – это реальные физические объекты, а не просто математические понятия. Они подвержены физическим воздействиям, происходящим в изучаемой системе.

Расстояния r1, r2, r3, r4 от M до опорных точек называются координатами точки M в заданной координатной системе, а способ их нахождения (включая способ задания опорных точек) – системой координат.

На практике удобно определять опорные точки особым способом, например, так, чтобы векторы uuuur uuuur uuuur i = (1, 2) j = (1,3) k = (1, 4) (базисные векторы, или орты) были взаимно ортогональны. Тогда любой вектор r = (1, M ) однозначно описывается длинами проекций на направления векторов:

r = xi + yj + zk Определенная таким образом система координат называется декартовой системой координат, а тройка чисел (x, y, z) – декартовыми координатами точки M.

Любой набор чисел (q1, q2, q3), из которого в любой момент времени можно однозначно выразить (x, y, z) по некоторому правилу (например, применением функции x=f1(q1,q2,q3), y=f2(q1,q2,q3), z=f1(q1,q2,q3) также является координатами (часто их называют обобщенные координаты).

Примерами часто используемых систем координат являются (r,,) Сферические координаты :

x = sin cos, y = sin sin, z = r cos Z z M r y Y x X (r,, z) Цилиндрические координаты :

x = r cos, y = r sin, z = z Z z r M y Y x X Система координат, в отличие от системы отсчета – понятие математическое.

На нее (т.е. на функции x=f1(q1,q2,q3), y=f2(q1,q2,q3), z=f1(q1,q2,q3)) не влияют физические процессы, происходящие в реальной системе.

Вышеуказанные определения длины, эталонов расстояний и времени подразумевают, что - физическое пространство однородно, изотропно, бесконечно делимо и эвклидово (плоское) - время однородно, необратимо и бесконечно делимо - время и пространство не зависят друг от друга - все механические процессы протекают одинаково в любых частях пространства.

Эти положения составляют основу классического механического описания природы. Это приближенное описание. Оно ограничено несколькими факторами:

- однородность пространства и времени может нарушаться на малых расстояниях (10-34 м, теория струн) - процессы зависят от скоростей систем отсчета, от масс вблизи которых находится система (СТО, ОТО) - материальная точка становится плохим приближением для описания поведения малых частиц (квантовая механика).

Если координаты МТ известны (измерены либо заданы) в любой момент времени, то можно указать вектор-функцию (совокупность трех функций), которая называется закон движения материальной точки:

x = x(t) y r = r (t) = y(t) z = z(t) Если система состоит из N МТ, то закон движения есть система 3N уравнений, например:

r1 = r1(t) x1 = x1(t) y = y1(t) r2 = r2(t) - (3N скалярных уравнений) (1)......

rN = rN (t) zN = zN (t) Не все координаты могут быть независимы. В некоторых механических системах часть из них связана т.н. уравнениями связи. Например, если молекула состоит из двух атомов, соединенных жёсткой химической связью (которая в данной задаче имеет постоянную длину l), то возникает уравнение связи:

l = (x1 - x2)2 + (y1 - y2)2 + (z1 - z2)2 (2) Объединив уравнения (1) и (2), можно выразить одну из шести координат (любую) через пять оставшихся и l. Т.е. пять координат будут независимыми, а шестая – будет зависеть от них.

Pages:     || 2 | 3 | 4 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.