Предмет физики. Предмет механики. Физические модели. Материальная точка. Абсолютно твердое тело. Системы отсчета.

Тема

Предмет физики. Предмет механики. Физические модели. Материальная точка. Абсолютно твердое тело. Системы отсчета.

Фи́ зика (от др.-греч. φ ύ σ ι ς «природа») — область естествознания, наука, изучающая наиболее общие и фундаментальные закономерности, определяющие структуру и эволюцию материального мира. Законы физики лежат в основе всего естествознания. Физика — это наука о природе в самом общем смысле (часть природоведения). Она изучает материю (вещество и поля) и наиболее простые и вместе с тем наиболее общие формы её движения, а также фундаментальные взаимодействия природы, управляющие движением материи. Физика тесно связана с математикой: математика предоставляет аппарат, с помощью которого физические законы могут быть точно сформулированы. Физи́ ческое модели́ рование — метод экспериментального изучения различных физических явлений, основанный на их физическом подобии. Метод применяется при следующих условиях:

• Исчерпывающе точного математического описания явления на данном уровне развития науки не существует, или такое описание слишком громоздко и требует для расчётов большого объёма исходных данных, получение которых затруднительно.
• Воспроизведение исследуемого физического явления в целях эксперимента в реальных масштабах невозможно, нежелательно или слишком дорогостояще (например, цунами).

Метод состоит в создании лабораторной физическоймодели явления в уменьшенных масштабах, и проведении экспериментов на этой модели. Выводы и данные, полученные в этих экспериментах, распространяются затем на явление в реальных масштабах. Материа́ льная то́ чка — простейшая физическая модель в механике — математическая абстракция — тело, размеры которого допустимо считать бесконечно малыми в пределах допущений исследуемой задачи. Масса и положение материальной точки в каждый конкретный момент времени полностью определяют её поведение и физические свойства. Пренебречь размерами объекта можно только тогда, когда он описывается моделью механической системы, обладающей только поступательными, но не внутренними степенями свободы. Другими словами, материальная точка — простейшая механическая система, обладающая минимально возможным числом степеней свободы при данной размерности пространства.Абсолютно твёрдое тело — модельное понятие классической механики, обозначающее совокупность материальных точек, расстояния между которыми сохраняются в процессе любых движений, совершаемых этим телом. Иначе говоря, абсолютно твердое тело не только не изменяет свою форму, но и сохраняет неизменным распределение массы внутри. Всякое движение твердого тела можно разложить на два основных вида движения – поступательное и вращательное. Поступательное движение – это такое движение, при котором любая прямая, связанная с движущимся телом, остается параллельной самой себе. При вращательном движении все точки тела движутся по окружности, центры которых лежат на одной и той же прямой называемой осью вращения. Для того чтобы получать возможность описывать движение количественно, Приходится связывать с телами, образующими систему отсчета, какую-либо систему координат, например декартовую. Тогда положение материальной точки можно определить, задав три числа x, y, z – декартовы координаты этой точки.

1. Координатное и векторное описание положения частицы. Связь между ними

Пусть траектория движения известна. Тогда, зная зависимость пути, пройденного телом, от времени, можно определить его положение в любой момент. Положение тела в пространстве можно задать также в виде радиуса-вектора r. В произвольный момент времени оно определяется зависимостью r(t). Вектор перемещения s(t) рассчитывается как разность между величинами радиуса-вектора r(t) в различные моменты времени t.

На рисунке тело в момент времени t₁ находилось в точке A, а в момент t₂ - в точке B.

s(t) = Dr = r_B - r_A.

Координатный способ описания движения.
Поскольку векторная величина может быть представлена как сумма ее проекций, то положение тела в пространстве в любой момент времени можно определить, исходя из зависимостей от времени проекций радиуса-вектора на оси координат x(t), y(t), z(t).

Пример. В качестве одного из примеров координатного способа можно привести описание движения тела, брошенного под углом a к горизонту. Движение по горизонтали происходит с постоянной скоростью, следовательно, x = V₀·sin(a)·t. Движение по горизонтали является равнопеременным с ускорением свободного падения g, следовательно, y = V₀·cos(a)·t - g·t₂/2. Исключив из этих уравнений время, получим, что траектория - зависимость y = f(x) представляет из себя параболу.