1)Физика – наука о природе.

Физика – это наука о природе, она изучает, исследует основные закономерности явлений происходящих в окружающем мире. Физика – изучает явления природы, для того чтобы объяснять их предсказывать, использовать.

Физика изучает различные формы движения материи.

Материя – это объективная реальность, существующая независимо от нашего сознания и данная нам в ощущениях.

Движение материи – это любые изменения происходящие с материей (изменение положения в пространстве, изменение химического состава, температуры и т.п.).

Для описания  явлений необходимо ввести соответствующие термины — физические величины.

Физическая величина – это характеристика объекта, имеющая числовое значение (масса, скорость, расстояние).

Развитие физики непосредственно связано с прогрессом и развитием техники. Физические открытия послужили основой для создания современных приборов и механизмов.

                               Система единиц- СИ.

Изучение физических явлений и процессов связано с измерением физических величин. Измерить физическую величину — это значит сравнить ее с такой же физической величиной, условно принятой за единицу.

Для каждой величины можно было бы выбрать свою единицу независимо от других величин. Но целесообразно поступить иначе — единицы нескольких величин (их на­зывают основными единицами) установили  не­зависимо, а остальные — выразили через эти единицы, ис­пользуя формулы.

            Например, скорость выражается через две независимые величины —длину и время. Те единицы, которые устанавливаются с помощью формул, связывающих их с основны­ми единицами, называются производными еди­ницами. 

    Совокупность основных и производных единиц называют системой единиц. В 1960 г. XI Генеральной конференцией по мерам и ве­сам в Париже была принята и в последующие годы допол­нена и уточнена Международная система единиц СИ. Она состоит из семи основных единиц:         метр (м) — единица длины; 

           килограмм ( кг) — единица массы;

           секунда (с) — единица времени; 

           ампер (А) — единица силы электрического тока; 

           кельвин (К) — единица термодинамической температуры;

           кандела (кд) — едини­ца силы света;

           моль (моль) — единица количества вещества

Дополнительными единицами СИ являются: 

радиан (рад) – единица плоского угла и стерадиан (ср) – единица объемного угла. 

  Используя формулы, можно получить единицы измерения для любых физических величин. Например:      

                 

      2)Основные понятия механики:

 Механика – раздел физики, изучающий механическое движение.

Механическим движением называется изменение положе­ния тела в пространстве с течением времени. 

Основная задача механики — определение положения тела в про­странстве в любой момент времени.

Каждое тело имеет определенные размеры. Однако оказы­вается, что нет необходимости указывать положение каж­дой точки тела, если все точки тела движутся одинаково. Движение тела, при котором все его точки движутся оди­наково, называется поступательным движением. При поступательном движении тела  достаточно описать движение только одной точки этого тела.

Более сложным видом движения является вращательное — движение при котором все точки тела движутся по окружностям разных радиусов, но с центром в одной точке.

Размерами тела, движущегося поступательно можно пренебречь и считать его материальной точкой. Материальная точка отличается от тела тем, что у нее нет размеров. 

Материальной точкой называется тело, размерами которого в данных условиях можно пренебречь. Тело можно рассматривать как материальную точку, если его размеры малы по сравнению с расстоянием, которое оно проходит, или по сравнению с расстоянием от него до дру­гих тел.

Космический корабль, пролетающий около восьми кило­метров за одну секунду, при наблюдении с Земли можно рассматривать как материальную точку. Космонавт, нахо­дящийся в корабле, не может считать его материальной точкой.

Для описания движения тела необходимо ввести понятия траектории, пройденного пути и перемещения.

Траектория – это линия по которой движется тело. Траектория может быть прямо­линейной и криволинейной.

Путь пройденный точкой, равен длине  траектории.   Путь     — скалярная величина. 

Пере­мещение    — вектор, соединяю­щий начальное положение точки с ее конечным положе­нием.    Международной единицей измерения пути и перемеще­ния является метр (м).

Положение тела в пространстве можно определить только относительно других тел, поэтому для  описания движения необходима система отсчета. Система отсчета состоит из тела отсчета, системы координат, способа отсчета времени.

Скорость— это перемещение, совершаемое за единицу времени.(м/с) 

 

Ускорение— это изменение скорости за единицу времени.(м/с²)                                  

 

3)                              Виды движения:

Движение можно различать по форме траектории – прямолинейное (траектория прямая линия) и криволинейное (траектория кривая).

Движение может отличаться по скорости – равномерное, равноускоренное, неравномерное.

Равномерное — движение, при котором точка за любые равные промежутки времени совершает одинаковые перемещения . 

              

Равноускоренное – движение при котором тело за равные промежутки времени изменяет скорость одинаково.  

            

Неравномерное— движение при котором перемещения точки за равные промежутки времени не одинаковы, называют неравномерным движением. Для характеристики неравномерного движения используют среднюю скорость      

                      

Задачи — Кинематика

1. На прямолинейном участке шоссе автомобиль изменил свою скорость от 18 км/ч до 36 км/ч за 20 с.  С каким ускорением двигался автомобиль? Какое расстояние прошел?
2. Автобус начинает движение с постоянным ускорением 2 м/с². Определить путь, который прошёл автобус до того момента, когда его скорость стала 20 м/с.
3. Автомобиль двигался со скоростью  72 км/ч. Каким будет скорость автомобиля через 4 с после начала торможения, если его  ускорение постоянно и равно по модулю  3 м/с² ?  Какой путь пройдет автомобиль за это время ?
4. Какую скорость приобретет после прохождения пути 200 м электропоезд, начинающий равноускоренное движение с ускорением 0,5 м/с² ?
5. Автомобиль, двигавшийся прямолинейно со скоростью 20 м/с, начал тормозить с ускорением 4м/с². Какой путь прошёл автомобиль до остановки и за какое время?
6. Пуля, летящая со скоростью 500 м/с , пробивает доску толщиной 6 см и вылетает из нее со скоростью 300 м/с. Чему равно ускорение пули ?
7. При строительстве высотного жилого дома с высоты 30 метров случайно упал кирпич. За какое время он пролетит весь путь? Первые 15 метров? Вторые 15 метров?
8. Автомобиль проходит первую половину пути со скоростью 70 км/ч, а вторую — со  30 км/ч. Определить среднюю скорость на всем пути, если в целом автомобиль преодолел 210 км.
9. При какой максимальной скорости самолеты могут приземляться на посадочную полосу аэродрома длиной 800 м при торможении с ускорением 2,7 м/с²? 
10. Сигнальная ракета, запущенная вертикально вверх, вспыхнула через 6 с после запуска в наивысшей точке своей траектории. На какую высоту поднялась ракета? С какой начальной скоростью ее запустили?
11. Тело брошено вертикально вверх с начальной скоростью 30м\с. Через какой промежуток времени оно будет на высоте 25м?
12. Камень падает вертикально вниз с высоты 20 м с нулевой начальной скоростью. С какой скоростью камень упадет на Землю? Ускорение свободного падения принять равным 10 м/с². 
13. Шарик бросили вертикально вверх с начальной скоростью 10м/с. Найти максимальную высоту, на которую поднимается шарик. Ускорение свободного падения принять равным 10 м/с². 
14. Сосулька падает с крыши дома. Первую половину пути она пролетела за 2 с. Найти время движения сосульки до Земли. Начальная скорость сосульки равна 0.

4) Основы динамики

Инерция— это явление сохранения скорости не изменой при отсутствии внешних воздействий. При резком торможении автобуса пассажиры продолжают двигаться по инерции вперед.

Инертность— это свойство тел по-разному изменять свою скорость при внешних воздействиях.

Со свойством инертности связана масса тела. Масса тела – это мера инертности. Чем тяжелее тело, тем сложнее изменить его скорость, тем оно инертнее. Тяжелый камень труднее остановить, чем воздушный шарик, но и заставить двигаться воздушный шарик можно легким прикосновением руки.

Тело изменяет свою скорость, если на него действуют другие тела.   Сила-это мера воздействия одного тела на другое.    

Сила равна  F = ma

                   Три закона Ньютона:

Вся динамика базируется на  трех основных законах, сформулированных впервые Ньютоном в 1686 году в книге «Математические начала натуральной философии» :

1закон ( закон инерции) 

-существуют такие системы отсчета ,относительно которых тело сохраняет свою скорость неизменной, если на него не действуют другие тела или действие этих тел скомпенсировано.

 В этом случае тело движется равномерно и прямолинейно или покоится.

2закон (основной закон динамики материальной точки)

-ускорение, приобретенное телом, прямо пропорционально силе, действующей на тело, и обратно пропорционально его массе.  

                                 а = F / m

3закон  (закон противодействия)

-сила действия равна силе противодействия(или с какой силой одно тело действует на второе с такой же по величине, но противоположно направленной силой второе тело действует на первое).

                                     F₁₂ = — F₂₁

                                  5)     Силы в природе:

Сила всемирного тяготения:   Сила, с которой все тела притягиваются друг к другу, называется силой всемирного тяготения. 

Обозначается  —   F_в.т   , рассчитывается по формуле:

                     

G =6,67 * 10 ^-11 Н м²/кг^{2   —}  гравитационная постоянная

Сила направлена вдоль прямой, соединяющей центры тел. 

Сила тяжести: Сила, с которой все тела притягиваются к Земле называется силой тяжести. Обозначается  —   F _тяж , рассчитывается по формуле: 

F_тяж = mg

Сила направлена  вертикально вниз. ( к центру Земли)

Вес тела:   Сила, с которой тело давит на опору или подвес вследствии своего притяжения к земле, называется весом тела.  Обозначается буквой Р

Сила направлена вниз перпендикулярно поверхности. 

Сила реакции  опоры: Сила, с которой опора реагирует на воздействие тела называется силой реакции опоры.  Обозначается буквой N, рассчитывается по формуле:  

  N = — Р

Сила направлена перпендикулярно поверхности вверх. 

Сила упругости:  Сила, возникающая при деформации тела называется силой упругости.

Обозначается  —  F_упр , рассчитывается по формуле: 

F_упр= -Кх, 

где K– коэффициент упругости , х – абсолютная деформация. 

Направлена сила упругости в сторону противоположную деформации. 

Сила трения: Сила, возникающая при движении одного тела по поверхности другого, называется силой трения. 

Обозначается — F_тр , рассчитывается по формуле: 

Fтр= μN, 

где μ – коэффициент трения, N- сила реакции опоры. 

Сила направлена в сторону противоположную движению.

Сила тяги :  Сила, приводящая тело в движение за счет работы механизмов, называется силой тяги.

Обозначается  F_тяги . Направлена в сторону движения тела.

Если на тело действует только сила тяжести, то оно совер­шает свободное падение. Следовательно, свободное падение — это движение тела в безвоздушном пространстве (вакууме) под действием только силы тяжести.

Свободное падение — это равноускоренное движение, так как вблизи поверхности Земли оно происходит под действием постоянной по модулю и направлению силы тя­жести .

Ускорение свободного падения на уровне поверхности Земли  на данной географической широте для всех тел одинаково: на полюсе g =9,83 м/с², на экваторе g=9,78 м/с², среднее зна­чение g=9,8 м/с².

Ускорение свободного падения можно высчитать для любой планеты, если воспользоваться формулой 

                   g = G M_{планеты} / R² _{планеты}

Вес тела равен по величине и противоположно направлен силе реакции опоры. Эти силы, исходя из 3 закона Ньютона являются парными силами  P = — N

Вес тела направлен перпендикулярно поверхности вверх.

Вес тела,  движущегося с ускорением вверх или вниз, изменяется. 

При движении вверх Р= m( g + a).

При движении вниз вес уменьшается P = m(g – a).

При движении тела вниз с ускорением свободного падения тело находится в состоянии невесомости, т.е. вес такого тела  = 0.

   

Задачи- Динамика   

1. С какой силой притягиваются два тела массой 50 кг, находящиеся на расстоянии 10 м друг от друга?
2. Как изменится величина силы притяжения, если масса каждого тела станет больше в 1000 раз?
3. 3.. Чему равен вес тела массой 80 кг, если оно движется вниз с ускорением 5 м/с² ?
4. Чему равен коэффициент трения  для тела массой 200 кг, которое движется с ускорением 3 м/с²  ?
5. С каким ускорением  движется груз массой  500 кг, поднимаемый на тросе, сила натяжения которого 15 кН ?
6. Вертикально вверх  с помощью лебедки поднимается груз массой    1т. Чему равна сила натяжения каната, если  груз поднимается    вверх с ускорением 0,1м/с², а коэффициент сопротивления составляет 0,002  ?
7. Автомобиль массой 5т движется горизонтально с ускорением 0,2м/с². Коэффициент трения колес о дорогу равен 0,5. Какую силу тяги развивает автомобиль. 
8. Какой массы состав может вести тепловоз с ускорением 0,1 м/с²  , если его максимальная сила тяги в  500 кН ? Коэффициент трения 0,05. Чему равна сила трения?

  6)  Импульс  тела, закон сохранения импульса и его применение.

Импульс – это количественная характеристика движения равная произведению массы тела на его скорость.                                  p = m υ

Импульс- это вектор, направление которого совпадает с направлением движения тела.    Единицы измерения    кг^. м / с

При взаимодействии тел в замкнутой системе выполняется закон сохранения импульса:    сумма импульсов замкнутой системы остается постоянной.      p₁+p₂+p₃=const

Замкнутой называется система в которой тела взаимодействуют только между собой.

Примером закона сохранения импульса  являются любые упругие и неупругие удары (столкновения шаров в бильярде),прыжок человека с тележки, отдача ружья при выстреле, реактивное движение.

Реактивное движение – это движение ракеты за счет выброса продуктов сгорания топлива по закону сохранения  импульса.

7) Механическая работа и ее связь с потенциальной и кинетической энергией.

 Механической работой постоянной силы — называется физическая величина, равная произведению модулей силы и перемещение, умноженному на косинус угла альфа между векторами силы и перемещение:    

 A = F S cos α                     (единицы измерения Дж – Джоуль)

         Работа —  скалярная величина  (не имеет направления) и может иметь положительные значения или отрицательное в зависимости от знака cos α:

         -Работа, совершаемая силой положительна, если угол альфа между векторами силы и перемещения меньше 90^о 

       — Работа  равна нулю, если  сила перпендикулярна вектору перемещения (cos α   =0) 

       — Работа отрицательна(т.е. работа совершается против силы), если направление векторов силы и перемещения составляют друг с другом угол больше 90 ⁰.              

Мощность — это работа, совершаемая телом за единицу времени.

 N = A / t      (единицы измерения Вт – Ватт )

При совершении работы телом расходуется энергия. Механическая энергия бывает двух видов- кинетическая и потенциальная.

Кинетическая энергия— энергия движения тела равная половине произведения массы тела на квадрат его скорости. 

   Е_к = mυ ²/ 2              ( Дж)              

Работа  сил, приложенных к телу, равна изменению кинетической энергии тела.

                         А=Е_к2-Е_к1

Потенциальная энергия— это энергия, характеризующая взаимодействие тела с землей, равная произведению массы тела, на модуль ускорения свободного падения и на высоту тела над поверхностью Земли.

                       Е_p = m g h              ( Дж )

Работа силы тяжести не зависит от траектории движения тела и всегда равна произведению силы тяжести на разность высот в начальном и конечном положении.                   А= mg ( h₁-h₂)= — (Е_р2-Е_р1), т.е. работа силы тяжести равна  изменению потенциальной энергии тела, взятому с противоположным знаком.

Задачи- Импульс, Энергия, Работа.

1. С какой скоростью движется тело массой 25 кг, если его импульс равен 50 кг^. м/с ?
2. Мальчик массой 60 кг движется на тележке массой 2 кг со скоростью 10 м/с. С какой скоростью будет двигаться тележка, если мальчик спрыгнет с нее со скоростью 15 м/с? 
3. С неподвижной лодки массой 100 кг на берег выпрыгивает человек массой 75 кг со скоростью 5 м/с. С какой скоростью лодка оттолкнется от берега.
4. Вагон массой 60 т, движущийся со скоростью 2 м/с,  догоняет платформу, двигавшуюся со скоростью 0,5 м/с  и   ударяет ее,   после  чего вагон и платформа движутся вместе со скоростью 1,2 м/с.  Какова масса  платформы.?
5. Охотник стреляет из ружья по направлению движения лодки. Какую скорость имела лодка, если она остановилась после двух последовательных выстрелов? Масса охотника с лодкой 200 кг, масса порохового заряда(одного ) 10 г. Скорость вылета дроби и пороховых газов 500 м/с.
6. Чему равна кинетическая энергия тела массой 800 г, если оно движется со скоростью 20 м/с ?
7. Какую работу совершает сила 25 Н, перемещая  в горизонтальном направлении тело  на  расстояние 100 м? Сила действует параллельно перемещению.
8. На какой высоте тело массой 20 кг обладает потенциальной энергией 1000 Дж?
9. Вычислите кинетическую и потенциальную энергию тела, массой 10 кг  падающего  с высоты 10 м с начальной скоростью 10 м/с.

Энергию вычислить используя закон сохранения энергии на высоте 10м,  5 м, 2 м, 0 м .

1. Высота плотины Красноярской ГЭС равна 120 м. За 1 секунду совершается работа 6000 МДж. Какая масса воды проходит через станцию ?
2. Какую работу совершает равнодействующая всех сил  при разгоне автомобиля массой 5т из состояния покоя до скорости 36 км/ч за 6 секунд ?
3. Мячик массой 50 г подброшен вверх с начальной скоростью 1 м/с с высоты  2м. Найдите высоту, на которой он остановится и значение кинетической и потенциальной энергии тела в этой точке. Какой будет скорость мячика в момент приземления?
4. Мальчик тянет санки прилагая к веревке силу 100 Н под углом 30⁰  к горизонту. Какую работу производит  мальчик переместив санки на  200 м 
5. Тело свободно падает с высоты 100 м . На какой высоте над землей  оно окажется через 2 секунды ? Тело движется с ускорением   свободного падения .
6. С ветки яблони , находящейся на высоте 3 м падает яблоко массой    150 г . С какой скоростью оно упадет на землю ? Начальная скорость      яблока 0,5 м/с .
7. Велосипедист движется  под уклон с ускорением 0,2 м/с  . Какую      скорость приобретет  велосипедист и какое расстояние  пройдет     за    15 секунд , если его начальная скорость равна 1 м/с ?

     

        8) Механическое колебание

Механическое колебание – это изменения положения тела , которые повторяются через определенные промежутки времени.

 Колебания могут быть свободными и вынужденными.

Свободное колебания – это колебания, которые происходят под действием внутренних сил системы + сила тяжести 

Внутренние силы – это силы, действующие только между телами внутри системы.

Свободные колебания всегда затухающие,  то есть они прекращаются через некоторое время из-за сил сопротивления тел.

Вынужденные колебания – это колебания, которые производят под действием периодической внешней силой.

Внешняя сила – это сила, приложенная со стороны тел не входящих  в систему.

Характеристики колебания

1)Амплитуда – это максимальное отклонение тела положения равновесия  А=Х m,м

2) Период – это время за которое совершается одно полное колебания   Т=t/N,   с

3)Частота – Это число колебаний, совершаемых телом за одну секунду     ν =f= 1/T= N/t,    Гц

Колебания удобно описывать с помощью периодических функций sin или  cos.     Колебания, которые можно описать с помощью уравнения

x = A*sin(wt + φ₀), называется гармоническим колебанием

x — смещение точки от положения равновесия,

A — амплитуда колебаний,

(wt+ φ₀) — фаза колебаний,

φ₀ — начальная фаза,

w – циклическая частота,

t — время.

Задачи — Механические колебания

1. Чему равны частота и период колебаний тела, если за 20 секунд совершено 50 колебаний?
2. Сколько колебаний совершает тело за 5 секунд, если частота колебаний равна 100 Гц?
3. Уравнение колебаний точки имеет вид x = 0,02 sin 100πt. Определить амплитуду, фазу, начальную фазу, частоту, циклическую частоту, период колебаний..
4. Точка колеблется гармонически по закону синуса. Амплитуда колебаний А = 0,1 м, максимальная величина скорости v_m = 0,2 м/с, начальная фаза колебаний φ₀ = 0. Написать уравнение колебаний для координаты и скорости, найти максимальную величину a_m ускорения .
5. Запишите уравнение гармонического колебания материальной точки, начальная фаза 30⁰, период колебаний 2с, смещение точки от положения равновесия в начальный момент 1м.