Министерство сельского хозяйства Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Самарская государственная сельскохозяйственная академия»
Е. В. Дырнаева, Р. Г. Кирсанов
Физика с основами
биофизики
Курс лекций
Часть 1
Самара 2013
Стр.1
УДК 53(07):57(07)
ББК 22.3 Р : 28Р
Д-90
Рецензенты:
канд. пед. наук, зав. кафедрой физики и методики обучения
ФГБОУ ВПО «Поволжская социально-гуманитарная академия»
Е. В. Галиева;
канд. пед. наук, доцент кафедры математики ФГБОУ ВПО «Самарская
государственная сельскохозяйственная академия»
О. Н. Беришвили
Дырнаева, Е. В.
Д-90 Физика с основами биофизики : курс лекций /
Е. В. Дырнаева, Р. Г. Кирсанов. – Самара : РИЦ СГСХА,
2013. – Ч.1. – 224 с.
ISBN 978-5-88575-322-7
Издание содержит основные вопросы по общему курсу физики
и биофизики.
Курс лекций предназначен для студентов, обучающихся по
«Зоотехния»
специальностям:
(111801.65), «Биоэкология» (020803.65).
(111100.62), «Ветеринария»
© Дырнаева Е. В., Кирсанов Р. Г., 2013
© ФГБОУ ВПО Самарская ГСХА, 2013
2
Стр.2
ПРЕДИСЛОВИЕ
Курс лекций разработан согласно требованию Государственного
образовательного стандарта третьего поколения высшего
профессионального образования, рекомендованного Государственным
комитетом России по образованию.
Цель издания – помочь студентам в изучении фундаментальных
законов классической и современной физики, выработать
умения по применению законов физики в сельскохозяйственном
производстве.
В процессе изучения данного издания у студентов должны
формироваться следующие профессиональные компетенции: способность
использовать основные законы естественнонаучных дисциплин
в профессиональной деятельности, применять методы математического
анализа и моделирования, теоретического и экспериментального
исследования.
Курс лекций содержит три раздела: «Физические основы механики»,
«Молекулярная физика и термодинамика», «Электричество».
Каждый раздел включает необходимый объем учебной информации,
контрольные вопросы. В приложении предлагаются
тестовые задания, позволяющие студентам осмыслить предлагаемый
материал.
Авторы искренне благодарят рецензентов и всех коллег, чьи
рекомендации позволили улучшить издание.
3
Стр.3
РАЗДЕЛ 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕХАНИКИ
Лекция
1. Значение и роль физики в системе
АПК
1.1. Предмет физики.
1.2. Методы физического исследования.
1.3. Роль физики в развитии аграрных наук.
1.4. Связь физики с другими науками.
1.5. Физические основы механики.
1.1. Предмет физики
Физика (от греч. – природа) – наука о наиболее простых, и,
вместе с тем, наиболее общих формах движения материи и их
взаимных превращениях. Изучаемые физикой формы движения
материи (механическая, тепловая и др.) присутствуют во всех
высших и более сложных формах движения материи (химических,
биологических и др.) и являются предметом изучения этих и других
наук. Термин «физика» впервые появился в сочинениях одного
из величайших мыслителей древности – Аристотеля, жившего в IV
веке до нашей эры. Первоначально термины «физика» и «философия»
были синонимичны, поскольку обе дисциплины пытаются
объяснить законы функционирования Вселенной. Однако в результате
научной революции XVI века физика выделилась в отдельное
научное направление.
В современном мире значение физики чрезвычайно велико.
Всё то, чем отличается современное общество от общества прошлых
веков, появилось в результате применения на практике физических
открытий. Так, исследования в области электромагнетизма
привели к появлению телефонов, открытия в термодинамике
позволили создать автомобиль, развитие электроники привело к
появлению компьютеров.
Физическое понимание процессов, происходящих в природе,
постоянно развивается. Большинство новых открытий вскоре получают
применение в технике и промышленности. Однако новые
исследования постоянно поднимают новые загадки и обнаруживают
явления, для объяснения которых требуются новые физиче4
Стр.4
ские теории. Несмотря на огромный объём накопленных знаний,
современная физика ещё очень далека от того, чтобы объяснить
все явления природы.
Физика – это наука о природе в самом общем смысле. Она
изучает различные субстанции бытия (материю, вещество, поля) и
наиболее простые и вместе с тем наиболее общие формы её движения,
а также фундаментальные взаимодействия природы,
управляющие движением материи.
Некоторые закономерности являются общими для всех материальных
систем, например, сохранение энергии, – их называют
физическими законами. Физику иногда называют «фундаментальной
наукой», поскольку другие естественные науки (биология,
геология, химия и др.) описывают только некоторый класс материальных
систем, подчиняющихся законам физики.
Например, химия изучает атомы, образованные из них вещества
и превращения одного вещества в другое. Химические же
свойства вещества однозначно определяются физическими свойствами
атомов и молекул, описываемыми в таких разделах физики,
как термодинамика, электромагнетизм и квантовая физика.
Физика тесно связана с математикой: математика предоставляет
аппарат, с помощью которого физические законы могут быть
точно сформулированы. Физические теории почти всегда формулируются
в виде математических выражений, причём используются
более сложные разделы математики, чем в других науках. И
наоборот, развитие многих областей математики стимулировалось
потребностями физических теорий.
1.2. Методы физического исследования
Процесс познания в физике начинается с наблюдения явлений
в естественных условиях. Умозрительное обобщение результатов
наблюдений приводит к выдвижению гипотезы – предположения
о закономерностях, которые требуют проверки и доказательства
опытным путем, т.е. постановки эксперимента. В результате
– ошибочные гипотезы (например, флогистона, эфира и
др.) отбрасываются, а на основе правильных, подтвержденных
экспериментами, формируется физическая теория. Физическая
теория дает качественное и количественное объяснение целой об5
Стр.5
ласти явлений природы с единой точки зрения – вскрывает механизм
этих явлений и формулирует их закономерности.
Развитие науки – от опыта к теории, от теории к опыту – этим
не ограничивается. Обнаруживаются новые области явлений и
факты, объяснение которых не укладывается в рамки существующей
теории и требует выдвижения новых гипотез. Новые открытия
ведут к исправлению или дополнению теорий, созданию новых,
более глубоко и точно отражающих объективные закономерности
природы.
Новая теория не всегда отрицает старую, чаще всего включает
ее в себя как часть, частный случай, т.е. является более широкой и
всеохватывающей (например, классическая механика стала составной
частью релятивистской механики). Таким образом, по
непрерывно восходящей спирали идет развитие науки.
1.3. Роль физики в развитии аграрных наук
Уместно несколько подробнее отметить роль физики в сельскохозяйственном
производстве. Еще в 1788 г. один из основателей
отечественной агрономии И. М. Комов писал в книге «О земледелии»,
что «земледелие же и с высокими науками тесный союз
имеет, каковы суть история естественная, наука лечебная, химия,
механика и почти вся физика, и само оно не что есть иное, как
часть физики опытной, только всех полезнейшая». В течение
многих лет большим энтузиастом в деле внедрения физики в сельское
хозяйство был один из крупнейших советских физиков – академик
А.Ф. Иоффе.
Не останавливаясь на таких общеизвестных вопросах, как механизация,
электрификация и автоматизация сельскохозяйственного
производства и внедрение во все его отрасли современной
контрольно-измерительной аппаратуры, укажем на некоторые
специфические направления творческого содружества физики с
сельским хозяйством.
Процессы жизнедеятельности сельскохозяйственных растений
в значительной мере определяются физическими условиями
среды, в которой развивается растение: световым, тепловым, водным
и воздушным режимами. Задача физики состоит в изучении
этих условий и установлении наиболее благоприятных режимов
для роста сельскохозяйственных культур. Не менее важным явля6
Стр.6
ется решение аналогичной задачи применительно к сельскохозяйственным
животным.
Для повышения урожайности сельскохозяйственных культур
и продуктивности животноводства большое значение имеет изучение
проблемы фотосинтеза и исследование методом меченых атомов
процессов питания растений и животных.
1.4. Связь физики с другими науками
Физика тесно связана с другими естественными науками. Эта
связь привела к тому, что физика тесно переплелась с астрономией,
геологией, химией, биологией, агрономией и др.
Физика тесно связана с философией. В основе научного познания
мира лежит метод диалектического материализма. Диалектика
– это наука о всеобщих законах движения, изменения, обновления
и развития материи в наиболее далеком от односторонности
виде.
Такие крупные открытия в области физики, как закон сохранения
и превращения энергии, соотношение неопределенностей и
др. являются ареной борьбы между материализмом и идеализмом.
1.5. Физические основы механики
Простейшей формой движения материи является механическая
– изменение взаимного положения тел в пространстве с течением
времени. Исторические приоритеты в развитии механики
обусловили потребности военного дела и техники еще в древнейшие
времена. Развитие механики начинается со времен Архимеда
(III век до н.э.), когда он сформулировал закон равновесия рычага
и закон равновесия плавающих тел. Основные законы механики
установлены Галилеем (XYI век) и окончательно сформулированы
Ньютоном (XYII век). В настоящее время механика условно подразделяется
на три части:
1) классическая механика Галилея – Ньютона;
2) релятивистская механика, основанная на специальной теории
относительности;
3) квантовая механика.
Классическая механика делится на 3 раздела: кинематику,
динамику и статику.
7
Стр.7
Кинематика изучает движение тел, не рассматривая причин,
которые вызвали это движение.
Динамика изучает законы движения тел во взаимосвязи с
причинами, которые вызывают или изменяют движение.
Статика изучает законы равновесия этих сил.
Контрольные вопросы
1. Приведите примеры основных физических единиц в Международной
системе.
2. Какие процессы составляют физическую форму движения материи?
3. В чем состоят задачи физики?
4. Из каких разделов состоит механика?
5. Назовите основоположников развития механики как науки.
6. Какими открытиями в области физики знамениты Аристотель,
Ньютон, Галилей?
7. Как связана физика с другими науками (математикой, химией, философией
и т.д.)?
8. Сформулируйте определения следующих понятий: гипотеза, метод,
способ, теория.
9. Покажите роль физики в развитии агрономии.
Лекция 2. Основы кинематики
2.1. Модели в механике. Система отсчета. Кинематические характеристики
движения.
2.2. Скорость материальной точки.
2.3. Ускорение материальной точки.
2.1. Модели в механике. Система отсчета.
Кинематические характеристики движения
В физических исследованиях часто используют научную абстракцию.
При изучении движения или свойств тел не принимают
во внимание несущественные для данной задачи характеристики
тела, например, его размеры, строение, внутреннее состояние и
т.п. Простейшим примером научной абстракции или физической
моделью является понятие материальной точки.
Материальная точка – это тело, размерами которого можно
пренебречь (они пренебрежимо малы по сравнению с масштабами
движения и расстояниями) в данной задаче. Например, рассмат8
Стр.8
ривая движение Земли в Солнечной системе, молекулы в сосуде,
их можно считать материальными точками.
Система материальных точек. Всякое тело можно мысленно
разделить на такие части, каждую из которых можно рассматривать
как материальную точку в данном масштабе движения. Тогда
изучение движения тела или системы тел сводится к изучению
движения системы материальных точек.
Абсолютно твердое тело – тело, которое ни при каких условиях
в данной задаче не может деформироваться и расстояние
между двумя частицами этого тела остается постоянным.
Изучение механического движения начнем с простейшего –
поступательного.
Поступательное движение – это движение, при котором любая
прямая, жестко связанная с движущимся телом, остается параллельной
своему первоначальному положению. Движение в механике
рассматривается как перемещение материальных точек
(или просто точек) или их систем в пространстве и во времени.
Положение материальной точки определяется по отношению к
телу отсчета, считаемому неподвижным. Связанная с ним система
координат и часов называется системой отсчета. Положение точки
А в декартовой системе координат в данный момент времени
определяется координатами x, y, z или радиусом – вектором r
(рис. 1.1).
Рис. 1.1
При движении материальной точки координаты с течением
времени изменяются, т.е. являются функциями времени. Скалярные
уравнения:
;y y t ;
9
.
(1)
z
z
x
x
t
t
Стр.9
В общем случае (1) являются кинематическими уравнениями
движения точки. Система уравнений (1) эквивалентна векторному
уравнению:
r r( )t
.
Числом степеней свободы материальной точки называют
число независимых координат, которые полностью определяют ее
положение в пространстве. Если точка движется в пространстве,
то ее положение определяется тремя координатами x, y, z и она
обладает тремя степенями свободы. При движении по плоскости у
точки две степени свободы, а при движении по прямой точка обладает
только одной степенью свободы.
Траекторией движения называют линию, описываемую движущейся
точкой. Пусть материальная точка перемещается по кривой
из положения А в положение В (рис. 1.2).
Рис. 1. 2
Тогда дуга АˇВ будет траекторией, а длина этой дуги ∆s будет
длиной пути. Длина пути ∆s представляет собой скалярную функцию
времени ∆s= ∆s (t). Начальное положение материальной точки
задается радиусом-вектором 0
r
вектором r
. Вектор
за рассматриваемый промежуток времени) называется перемещением.
При прямолинейном перемещении
r r0 (приращение радиуса – вектора
r
s .
2.2. Скорость материальной точки
Быстрота и направление движения точки характеризуется
скоростью. Скорость векторная величина. Пусть точка перемещается
из положения А в положение В (рис. 1.3).
10
r
, а конечное – радиусом
Стр.10
Рис. 1. 3
В момент времени t положение материальной точки характеризует
радиус-вектор 0
r
. За малый промежуток времени Δt точка
прошла путь Δs до положения В и совершила элементарное перемещение
r
. Вектором средней скорости называют отношение
t
Направление
совпадает с направлением r
.
r
стремящемуся к нулю
v lim t
v
t o
r
dt ,
dr
т.е. v есть первая производная радиуса-вектора по времени. В пределе
при Δt→0, секущая АВ совпадает с касательной и, следовательно,
мгновенная скорость v направлена по касательной в каждой
точке траектории.
По мере уменьшения Δt путь Δs будет приближаться к значению
модуля перемещения
скорости будет равен:
v v lim t
t o
r
t
0lim t
r
0
t
t
lim s
dt .
ds
Путь s, пройденный за время Δt, найдем, интегрируя выражение
ds dt в пределах от t до t +Δt
ращения радиуса-вектора точки r
к промежутку времени Δt,
Мгновенной скоростью v называют предел отношения при.
r
, поэтому модуль мгновенной
11
Стр.11