Что такое физика, из каких разделов она состоит и как устроена механика — от кинематики и динамики до статики. Справочный теоретический минимум: определения, законы, формулы и иллюстрации.
Физика — естественная наука, изучающая наиболее общие и фундаментальные закономерности природы. Предметом физики выступают строение и свойства материи, формы её существования (вещество и поле), природа и общие законы движения, а также закономерности взаимодействия тел.
Физика опирается на наблюдение и эксперимент, проверяет гипотезы и строит математические модели, позволяющие предсказывать поведение тел и явлений. Именно поэтому она называется фундаментальной: её законы применяются в химии, биологии, астрономии, технике и во всех естественных науках.
Всё в природе движется и изменяется. Покой — лишь частный случай движения, выбранный за начало отсчёта.
Тела действуют друг на друга: при этом меняется их движение. Причина изменения движения — сила.
Пространство характеризует протяжённость и объём, время — последовательность и длительность событий.
Наблюдение, измерение, гипотеза, эксперимент, теория и математическая модель — универсальный исследовательский цикл.
Физическое знание получается не «угадыванием», а последовательной работой по определённой схеме. Каждый шаг опирается на предыдущий и может быть проверен опытом.
Наблюдение
Описание явления и выделение существенных признаков.
Гипотеза
Обоснованное предположение о связи величин.
Эксперимент
Проверка предположения в специально созданных условиях.
Теория
Система понятий и законов, объясняющих класс явлений.
Модель
Упрощённый объект, описываемый математикой.
Прогноз
Предсказание новых явлений и их экспериментальное подтверждение.
Физика неоднородна: одни явления она описывает как движение тел, другие — как передачу энергии, третьи — как взаимодействие зарядов. Каждая крупная область имеет собственные понятия, законы и язык описания, но все они опираются на общие представления о материи, движении и взаимодействии.
Раздел физики, изучающий движение материи и взаимодействие тел. Механика даёт понятийный аппарат, без которого не обходится ни один другой раздел: сила, масса, скорость, энергия, равновесие. Внутри неё выделяют кинематику, динамику и статику.
Раздел физики о тепловых явлениях: внутренней энергии, температуре, способах передачи теплоты, тепловых машинах и двигателях. Изучает превращения энергии и направление самопроизвольных процессов.
Раздел физики, объединяющий электричество, магнетизм и учение об электромагнитном поле. Объясняет электризацию, ток, магнитное поле электрического тока, индукцию и электромагнитные волны.
Раздел физики о свете и его взаимодействии с веществом. Рассматривает отражение, преломление, дисперсию, интерференцию, дифракцию, поляризацию, а также устройство оптических приборов.
Раздел физики, описывающий свойства материи на уровне отдельных частиц. Объясняет строение атома и ядра, квантовые эффекты и корпускулярно-волновую двойственность поведения материи.
Механика — раздел физики, в котором изучают движение материи и взаимодействие тел. Она отвечает на три вопроса одновременно: как движется тело, почему оно движется и как удержать его в равновесии. Ответы на эти вопросы дают соответственно кинематика, динамика и статика.
Кинематика
Как движется тело? Геометрия движения.
Динамика
Почему тело движется? Причины и законы.
Статика
Как удержать равновесие? Покой и равномерное движение.
Раздел механики, изучающий геометрические свойства движения тел без учёта причин, которые его порождают. Кинематика отвечает на вопрос о виде движения: как меняются положение, скорость и ускорение тела со временем.
Что изучает
Ключевые понятия
v = Δr / Δt; a = Δv / Δtскорость и ускорение
Раздел механики, изучающий причины движения: взаимодействие тел, силы и законы, которым подчиняется движение. Именно динамика связывает силы с изменением движения и вводит фундаментальные законы Ньютона.
Что изучает
Ключевые понятия
ΣF = m·a; p = m·vвторой закон Ньютона и импульс
Раздел механики, изучающий равновесие тел, находящихся в покое или движущихся равномерно прямолинейно, а также равновесие жидкостей. Статика отвечает на вопрос, при каких условиях тело не начнёт двигаться.
Что изучает
Ключевые понятия
ΣF = 0; M = F·dравновесие и момент силы
Механическая задача — это поиск неизвестных физических величин по известным данным с использованием законов механики. Ниже — основные типы задач и то, к какому разделу механики относится каждая из них.
| Тип задачи | Что требуется найти | Раздел |
|---|---|---|
| Кинематическая | Траекторию, путь, перемещение, скорость и ускорение тела при заданном движении. | Кинематика |
| Прямая динамическая | Закон движения тела и его координаты, если известны действующие силы и начальные условия. | Динамика |
| Обратная динамическая | Силы и их равнодействующую по данным о характере движения тела. | Динамика |
| Задача равновесия | Силы реакции опор и условия, при которых тело покоится или движется равномерно. | Статика |
| Энергетическая | Работу, мощность и энергию тела; решение — по закону сохранения энергии. | Динамика |
| Задача столкновения | Скорости и импульсы тел до и после взаимодействия — по закону сохранения импульса. | Динамика |
Формулы — это закон, записанный на языке математики. Ниже собраны основные соотношения трёх разделов механики; под каждой строкой указано, какую величину она связывает.
Связывают положение тела, скорость и ускорение во времени.
Связывают силы, движение и условия равновесия.
Энергетический подход позволяет решать задачи механики, не обращаясь к координатам тела: достаточно знать начальное и конечное состояния.
Как читать формулы: слева стоит искомая величина, справа — величины, которые известны. Если уравнение содержит больше неизвестных, чем данных, задача решается системой уравнений; если данных больше — это переопределённая задача, и часть условий избыточна.
Физика начинается не с формул, а с вопросов. Раздел «Введение» задаёт карту предмета: где находится механика среди других разделов, из каких частей она состоит и какие задачи она решает. Дальше каждая тема разбирается отдельно и подкрепляется практикой.
Равномерное и равноускоренное движение
Графики движения, скорость и ускорение, кинематические связи.
Законы Ньютона
Силы, равнодействующая, трение, решение прямых и обратных задач.
Работа и энергия
Механическая работа, мощность, закон сохранения энергии.
Тепловые явления и электричество
Переход к термодинамике и электродинамике — следующим разделам курса.
Физика. Введение — теоретический вводный раздел курса. Материал носит справочный характер: числовые задачи, лабораторные работы и расчёты вынесены в следующие разделы.
