Ќостанай мемлекеттік педагогикалыќ институты

1. 
   Физиканың мазмұны мен құрылымы, басқа ғылым салаларымен байланысы.
   
2. 
   Механика мазмұны.
   
3. 
   Механиканың даму тарихы.
   
4. 
   Санақ жүйесі. Материялық нүкте туралы түсінік.
   
5. 
   Траектория, жол, орын ауыстыру. Қозғалысты сипаттайтын шамалар
   

Физика ғылым ретінде Галилео Галилейден басталып енгізілген. Себебі, ол кісі табиғат заңдылықтарын экспериментеп дәлелдеген. Табиғат құбылыстары өз заңдарымен жүретіндігі үшін, оны есептеуде өте күшті математикалық шешімдер керек болады. Сол үшін физиканың алгоритымын түзбей, берілген құбылысты табиғи екендігін үйрене де, айта да алмаймыз. Әрбір физикалық құбылыстарды үйренгенде оны математикалық моделін түзуіміз шарт.

Мысалы: Клайперон теңдеуі , ал физика тілінде айтатын болсақ, берілген заттың қысымы мен көлемінің көбейтіндісі оның температурасына қатынасы әр уақытта өзгермей қалады деуге болады.

Физика бізді қоршап тұрған материалдық дүниенің, яғни табиғаттың жалпылама қасиеттерін, материя қозғалысының неғұрлым жалпы формаларын механикалық, жылулық, электромагниттік, т.б. және олардың бір-бірімен байланысын зерттейтін ғылымның саласы. Бізді қоршаған орта негізінен бір-бірімен ұдайы өзара әсерлесіп, әрқашанда қозғалыста болатын көптегенматериялық денелердің жиынтығынан тұрады.

Табиғатта болып жатқан құбылыстар мен түрлі процестер белгілі бір заңдылықтар бойынша жүзеге асады. Күнделікті тұрмыста түрлі физикалық объектілер мен құбылыстарды бақылаудың нәтижесінде адам өзінің санасында түрлі физикалық модельдер жасап, болып жатқан құбылыстардың арасындағы ішкі және сыртқы байланыстарды сол физикалық модельдер тұрғысынан түсіндіруге тырысады т.с.с. Физика пәнінің негізгі мақсаты біздің санамызда қоршаған ортаның қасиеттерін, олардың жеке элементтерінің арасындағықатыс пен сыртқы ортамен байланысын толық түсіндіре алатындай әлемнің физикалық бейнесін қалыптастыру болып табылады.

Материяның екі түрі бар: зат және өріс. Материяның бірінші түріне – атомдар, молекулалар және солардан тұратын барлық денелер, ал екіншісіне – электромагниттік, гравитациялық және тағы басқа өрістің түрлері жатады. Материяның әр түрі бір-біріне айнала алады. Материя әрқашанда қозғалыста болады. Материяның қозғалысының толып жатқан түрі бар: механикалық, электромагниттік, жылулық, т.б. Материя қозғалысының ең қарапайым түрі – механикалық қозғалыс, әр түрлі денелердің бір-біріне қатысты орын ауыстыруы мен формаларын өзгертуі. Механикалық қозғалыстың негізгі заңдарын физиканың механика бөлімінде қарастырады. Физиканың басқа бөлімдерін механиканың заңдарын білмейінше оқып үйрену өте қиын, себебі физикалық құбылыстардың орын ауыстырусыз жүзеге асуы мүмкін емес. Сондықтан қозғалыс материяның одан ажыратып алынбайтын қасиеті, ол жоғалып кетпейді, жоқтан пайда болмайды. Материя кеңістікте уақыт бойынша өмір сүреді және арқашанда қозғалыста болады. Механикада қозғалыс деп дененің уақытқа байланысты кеңістіктегі басқа денелермен салыстырғандағы орын ауыстыруын айтады.

Түрлі ғылыми зерттеулердің нәтижесінде адамдардың санасында әлемнің физикалық моделі уақыт озған сайын тереңдеп, кеңейе түседі. Ал бұл түрлі тәжірибелер мен бақылаулардың нәтижесінде жүзеге асады, сондықтанда физика негізінен экспериментальды ғылым болып табылады, және ол қарастырылып отырған құбылыстың қасиеттерін толық бейнелеуге тиісті. Түрлі эксперименттердің нәтижесіне сүйене отырып құрылған физикалық модельдеріміздің қаншалықты дәрежеде қолдануға болатындығын тәжірибе мен бақылауларға сүйене отырып тағайындайды. Демек физиканың эксперименталды тәсілін біз былайша ұғынуымыз қажет: эксперимент пен бақылауларға сүйене отырып, түрлі модельдер жасалады, сол модельдерге сүйене отырып түрлі құбылыстардың туу себептері түсіндіріледі немесе түрлі процестер мен құбылыстар жайында болжаулар айтылады, бұл болжамдар қайтадан эксперименттер мен бақылаулар арқылы тексерілетін болады, соның нәтижесінде тағайындалған моделіміз егжей-тегжейіне дейін дәлелденіп, әрі қарай жаңа болжамдар ұсынылады. Осылайша жан-жақты тексерілген болжаулар ғылыми заң немесе теорияға айналады. Демек, тәжірибе деректерін талдап қорыту арқылы физика заңдары тағайындалады. Физика заңдары физикалық құбылыстар арасындағы обьективтік ішкі байланысты және физикалық шамалар арасындағы нақты тәуелділіктерді көрсетеді.

Физика заңдарының мазмұны көбінесе математикалық өрнектер арқылы сипатталады, яғни берілген физикалық шамалардың сан мәндерінің арасындағы тәуелділік түрінде беріледі. Бұдан физика заңдарын тағайындау үшін физикалық шамаларды өлшеудің маңызы өте зор екендігін байқаймыз. Кез келген бір физикалық шаманы өлшеу дегеніміз, оны белгілі бір әдіспен өлшеу бірлігі етіп алынған бір тектес шамамен салыстыру деген сөз. Өлшеу нәтижесі ешқашанда абсолют дәл бола алмайды, оның дәлдік дәрежесі өлшеу техникасының дамуына және өлшеудің қаншалықты мұқият жүргізілгеніне байланысты болады. Физиканың дамуына техниканың түрлі саласының дамуы көп әсерін тигізген.

Физикалық модельдер жуық модель болып саналады, сондықтан олардың дұрыстығы қолданылған абстракцияның пайдалану шекарасымен анықталады. Сондықтан физикалық зерттеулердің әрбір кезеңінде қай модельді қолдануға болатындығы туралы айқын түсінік болуы өте қажет, яғни бір физикалық объект әр түрлі жағдайда әр түрлі модельмен берілуі мүмкін екендігін әр уақытта есте сақтау керек.

Физикада толып жатқан физикалық шамалар қарастырылады және олардың әрқайсысы өзіне тән меншікті бірліктері арқылы өрнектеледі. Сондықтан физикада физикалық шаманың саны қанша болса, физикалық шаманың өлшем бірліктері сонша болады. Ал мұндай көп өлшем бірліктермен жұмыс істеу өте қиын. Әр түрлі физикалық шамалардың арасындағы тәуелділікті пайдаланып олардың санын азайтуға болады. Физикалық шамалардың өлшем бірліктерінің өлшем бірліктернің жиынтығы - өлшемдер системасы деп аталады.

Физикада қолданылатын негізгі ұғымдар екі категорияға бөлінеді: 1) физикалық ұғымдар категориясы, оған жататындар: күш, жылдамдық, үдеу, электрсиымдылық,тұтқырлық, т.б. 2) жалпы ұғымдар категориясы, оған жататындар: өмір сүру, аннигиляция, объективтілік, детерминизм, айқындылық, себептілік, т.б. Бірінші категориядағы ұғымдар – нақты физикалық шамалар ретінде сан мәндерімен сипатталатын болса, екіншісі - негізінен философияда қарастырылады, оларды физикада қолдану үшін айқындау қажет болып табылады. Әрбір физикалық ұғымның немесе физикалық шаманың анық және бір мәнді анықтамасы болуы қажет. Физикалық шаманың анықтамасының негізі ретінде физикалық шамалардың арасындағы тәуелділікті көрсететін математикалық қатыс алынады. Мысалы, жылдамдықтың анықтамасы белгілі болса, онда үдеуді жылдамдықтың өзгерісі арқылы өрнектеуге болады. Негізінде бардық физикалық шамаларды дәл осылайша анықтауға мүмкін емес. Кейбір жағдайда қасиеті бірлік өлшем ретінде қабылданған физикалық объектіні өлшеудің тәртібі белгіленіп, оның қажетті қасиеті өлшенеді де, оны бірлік өлшеммен салыстырады. Физикалық шамаларды анықтаудың бұл екі әдісі бір уақытта қолданылып, бірін-бірі толықтырады.

Әрбір физикалық шама белгілі бір өлшем бірлігімен сипатталады. Бірліктің өлшемі – физикалық шама өлшемімен бірдей болады және ол квадрат жақшаға алынған сол шаманы өрнектейтін әріппен белгіленеді. Шаманың өлшемі оның тек табиғатын сипаттайды да өлшем бірлігінің мөлшері туралы мағлұмат бермейді.

Бүкіл дүние жүзі ғылымдарының көп жылғы кеңесінің нәтижесінде Халықаралық өлшемдер системасы, яғни /СИ/ қабылданған, СИ системасында мынашамалардың өлшем бірліктері: ұзындықтың – метр, уақыт – секунд, масса – килограмм, ток күші – ампер, температура – кельвин, жарық күші – кандела негізгі өлшемдер ретінде қабылданған. Механикада негізгі өлшем бірліктері метр, секунд, килограмм болып табылады. Басқа физикалық шамалардың өлшемдері туынды өлшемдер деп аталады. Механикада физикалық туынды өлшемдердің мысалы түрінде: үдеудің м/с²; жылдамдықтың м/с, т.б. шамалардың өлшемдері алынады. Негізгі өлшемдердің эталоны Париждің түбіндегі Севр қаласында өлшем мен таразының Халықаралық комитетінде сақталған. ССРО – да 1961 жылдың 18 қарашасында Министрлер Советінің жанындағы өлшеу және өлшеуіш приборлар, стандартты комитеті, халықаралық өлшем бірліктері системасын ГОСТ / 1867-61/ бекіткен. 1982 жылдың 1 ақпанында ССРО госстандарты ГОСТ 8.417-81. «Физикалық шамалар бірліктерін» бекітті және ол бүкіл ССРО территориясында қолданылды.

Уақыт – түрлі құбылыстар мен процестердің ұзақтығын сипаттайтын физикалық шама, және сол басқа шамалар сияқты белгілі бір сандармен сипатталады. Физикадағы негізгі мақсат осы сандарды қандай да бір жолдармен тауып, оның физикалық мағынасын тағайындау. Уақыттың сандық мағынасы деп біз кез келген бір сағаттың көрсетуін, немесе дәлірек айтқанда екі құбылыстың немесе уақыт моментінің аралығын түсінеміз. Ол сағаттардың қарастырылып отырған уақыт моментіндегі көрсетілуінің айырымымен сипатталады. Сағат деп уақытты өлшеу үшін қолданылатын, ішінде периодты процесс жүретін кез келген дене немесе денелер сипаттамасы айтылады. Мұндай процестердің мысалы ретінде тұрақты амплитудамен тербелетін маятниктің қозғалысын, жердің осінен айналуын, т.б. айтуға болады. Тең уақыт аралықтарын өлшеудің алуан түрлі әдістері бар. Барлық жағдайда да қойылатын негізгі талап, бірқалыпты жүретін эталондық сағаттар тағайындап алу, және екі бірінен соң бірі келетін құбылыстың уақыт аралығы, әрбір өлшеген сайын дәл қайталанып отыруына баса назар аудару қажет.

Механика – физиканың механикалық қозғалыстың заңдылықтарын және осы қозғалысты тудырушы немесе оны өзгертуші себептерді зерттейтін бөлімі.

Механикалық қозғалыс – денелердің немесе олардың бөліктерінің өзара орналасуының уақыт бойынша өзгеруі.

Классикалық механика(Галилей-Ньютонның механикасы) – жылдамдықтары жарықтың вакуумдегі таралу жылдамдығымен салыстырғанда аз болатын макроскопиялық денелердің қозғалыс заңдарын зерттейді. Жылдамдықтары с жылдамдықпен шамалас болатын жылдамдықпен қозғалатын микроскопиялық денелердің қозғалыс заңын арнайы салыстырмалық теориясына негізделген релятивистік механика зерттейді. Микроскопиялық денелердің (жеке атомдар және элементар бөлшектер) қозғалысын сипаттауға классикалық механика заңдары жарамайды – олар кванттық механика заңдарымен алмастырылады.

Механика үш бөлімнен тұрады: кинетика, динамика, статика.

Кинетика денелердің қозғалысын осы қозғалысты тудырып тұрған себептерді қарастырмай зерттейді.

Динамика денелердің қозғалысын заңдарын және осы қозғалысты тудыратын немесе өзгертетін себептерді зерттейді.

Статика денелер жүйесінің тепе-теңдігі заңдарын зерттейді. Статика заңдарын физикада динамика заңдарынан бөліп, жеке қарастырмайды.

Механикада денелердің қозғалысын сипаттау үшін нақты мәселелер (есептер) шарттарына тәуелді түрде физикалық моделдерді пайдаланады (материялдық нүкте және абсолют қатты дене).

Материялдық нүкте-қарастырылып отырған есеп жағдайында мөлшерін ескермеуге болатын массасы бар дене.

М атериалдық нүктенің орны (қалпы) санақ денесі атау қалауымызша таңдап алынған қайсы-бір денеге қатысты анықталады.

Санақ жүйесі – санақ денесімен байланысқан координаттар жүйесі мен сағат жиынтығы.

Декарт координат жүйесінде А нүктенің осы жүйеге қатысты орны берілген уақыт мезетінде үш x, y және z координаттармен немесе координаттар басынан осы нүктеге жүргізілген r радиус-вектормен сипатталады (1-сурет). Материалдық нүктенің қозғалысы кезінде оның координаттары уақыт бойынша өзгеріп отырады. Жалпы алғанда оның қозғалысы

r=r (t)

скаляр теңдеулермен сипатталады.

Материалдық нүкте қозғалысының траекториясы – осы нүктенің кеңістікте сызып өтетін сызығы. Траекторияның пішініне қарай қозғалыс түзусызықты немесе қисықсызықты болады.

Жолдың ұзындығы – материалдық нүктенің уақыт санақ басы басталғаннан бері жүріп траекторияның АВ учаскесінің ұзындығы.

Жолдың ұзындығы уақыттың скаляр функциясы болып табылады:

Орын ауыстыру – қозғалыстағы нүктенің бастапқы қалпынан оның осы уақыт мезетіндегі орнына жүргізілген вектор (радиус-вектордың қарастырылып отырған уақыт аралығындағы өсімшесі):

Түзусызықты қозғалыс кезінде орын ауыстыру векторы траекторияның сәйкес учаскесімен бірдей түседі және орын ауыстыру модулі жүріп өтілген жолға тең болады:

Жылдамдық – қозғалыстың осы уақыт мезетіндегі тездегін де, оның бағытын да анықтайтын векторлық шама.

Қозғалыстағы нүктенің dt уақыт аралығы үшін орташа жылдамдығы – орын ауыстырудың осы орын ауыстыру болып өткен уақыт аралығына қатынасына тең векторлық шама:

Орташа жылдамдық векторының бағыты бағытымен бірдей болады.

Орташа жылдамдықтың модулі:

Лездік жылдамдық

Лездік жылдамдық – қозғалыстағы нүктенің радиус-векторының уақыт бойынша туындысымен анықталатын векторлық шама; траекторияға жанама бойымен қозғалыс бағытында бағытталған:

Лездік жылдамдықтың модулі:

Нүкте жылдамдығының координаттар осьтеріне проекциялары:

Жылдамдықтың бірлігі – секундына метр(1м/с).

Секундына метр дегеніміз нүктенің с уақыт ішінде м қашықтыққа орын ауыстыратын түзусызықты және бірқалыпты қозғалысының жылдамдығы.

Үдеу – бірқалыпсыз қозғалыстың сипаттамасы; жылдамдықтың модулі бойынша және бағыты бойынша өзгеріс тездігін анықтайды.

Лездік үдеу

Үдеу – жылдамдықтың уақыт бойынша бірінші туындысы арқылы анықталатын векторлық шама:

Үдеудің тангенциал құраушысы жылдамдықтың модулі бойынша өзгерісін сипаттайды (траекторияға жанама бойымен бағытталған):

Үдеудің нормал құраушысы жылдамдықтың бағыты бойынша өзгерісін сипаттайды (траекторияның қисықтық центріне қарай бағытталған):

( траекторияның берілген нүктедегі қисықтық радиусы)

Қисық кезіндегі толық үдеу:

Үдеудің координаттар осьтеріне проекциялары:

Үдеу бірлігі – квадрат секундына метр (1м/с²) – дененің жылдамдығы с ішінде м/с-ге өзгеретін бірқалыпты айнымалы қозғалысының үдеуі.

Бірқалыпты түзусызықты қозғалыс – модулі мен бағыты тұрақты болатын жылдамдықпен өтетін қозғалыс.

х осі бойымен қозғалатын материалдық нүктенің бірқалыпты қозғалысының кинематикалық теңдеуі:

( - бастапқы координат, - уақыт)

Бірқалыпты қозғалыс кезіндегі нүктенің жылдамдығы

Бірқалыпты үдемелі қозғалыс – модулі мен бағыты бойынша тұрақты үдеумен өтетін қозғалыс.

х осі бойымен өтетін бірқалыпты айнымалы қозғалыстың кинематикалық теңдеуі

( - бастапқы жылдамдық, - уақыт)

Бірқалыпты айнымалы қозғалыстағы нүктенің жылдамдығы

( - бастапқы жылдамдық, үдеу, -қозғалыстың уақыты)