Пиши Дома Нужные Работы

Обратная связь

Заряды как источники полей; «свободные» поля, суперпозиция полей)

 

Важнейшей физической характеристикой реальных тел является масса. Современное естествознание различает инертную и гравитационную массы. Различие этих масс на современном уровне развития науки компенсируются принципом эквивалентности. Галилей в опытах с использованием наклонной плоскости открыл явление падения всех тел на Земле с одинаковым ускорением. Масса связана с весом тела, но вес зависит от массы того тела, к которому притягивается масса данного тела. Вес не может служить коэффициентом пропорциональности между силой и ускорением, поэтому ввели понятие инертной массы М, характеризующей «нежелание» тела сдвинуться с места. Масса не зависит от направления движения (это многократно проверялось экспериментально) и с погрешностью до 10-9 является скалярной величиной.

Ньютон связал понятия массы и веса тела. Он предположил, что Луна падает на Землю так же, как камень или яблоко, но с ускорением во столько раз меньшим, во сколько квадрат земного радиуса меньше квадрата расстояния между центрами Земли и Луны. Гипотеза зависимости притяжения между точечными массами от квадрата расстояний возникла из геометрической аналогии. Поскольку Луна находится на расстоянии r от Земли в 60 земных радиусов R, а период ее обращения Т = 27,3 сут = 2,36 • 106 с, Ньютон оценил отношение ускорений Луны Wc и камня g как 1/3600. Так как g = 9,8 м/с2, центростремительное ускорение Луны

 

т.е. g примерно в 602 раз больше ускорения Луны. Итак, сила тяготения, действующая со стороны Земли на яблоко или камень, находящийся на орбите Луны, уменьшится в 3600 раз, что и соответствует отношению квадратов расстояний. Значит, сила тяготения между двумя телами должна убывать обратно пропорционально квадрату расстояния между ними. В расчетах принято, что небесные тела взаимодействуют так, как будто вся их масса сосредоточена в центре масс. Доказать это строго Ньютон сумел лишь через 20 лет с помощью созданного им интегрального исчисления.



Ньютон провел серию опытов с маятниками разной массы для повторения опытов X. Рена и Э. Мариотта по удару и убедился, что свинцовый и деревянный шары падают с одинаковыми ускорениями. Земля одинаково действует на оба шара. Но если действие измерять не ускорением, а силой, удерживающей шары в равновесии на весах, то ее влияние на свинцовый шар будет больше, чем на деревянный. Такое влияние Земли на каждое тело можно выражать тяжестью, измеренной на весах, путем сравнения с тяжестью тела, принятой за единицу. И он ввел понятие силы F = m a, как меры действия одного тела на другое, отождествляя вес с силой действия, оказываемого на него Землей. Далее Ньютон указал, что, если бы вокруг Земли вращалось несколько лун, то все они двигались бы под действием аналогичной силы и их движение определялось бы законами Кеплера. Затем Ньютон перешел к изучению других планет и планетных систем (это определение он ввел после открытия спутников у Юпитера и Сатурна), считая, что силы тяготения должны иметь одну природу и у поверхности Земли, и в космосе.

Инертная масса определена динамически: прикладывается известная сила, измеряется ускорение и из формулы F = m a выводится масса m. В законе тяготения гравитационную массу определяют статически: измеряют силу взаимодействия между двумя телами, расположенными на определенном расстоянии. У Ньютона масса — единственная причина гравитационного взаимодействия. Галилей пришел к выводу о пропорциональности гравитационной и инертной масс, история науки говорит, что будто бы сбрасывая тела с высоты.

Ньютон не объяснил причину этой пропорциональности; она следует из опытов Галилея: все тела на Земле падают с одинаковым ускорением. Тот факт, что никогда не было обнаружено различия инертной и гравитационной масс, наводит на мысль, что тяготение может быть эквивалентно ускорению. Эйнштейн истолковал этот эффект как истинную природу тяготения и положил его в основу ОТО, возведя равенство масс в принцип эквивалентности. В соответствии с ним, для наблюдателя в свободно падающем лифте законы физики такие же, как и в инерциальных системах отсчета СТО — действия ускоренного движения и силы тяжести полностью взаимно уничтожаются. «Невесомость» человека в спутнике — проявление принципа эквивалентности. А поиски следствий из этого принципа приводят к ОТО.

Масса является мерой инертности тел и позволяет осуществить описание ·гравитационных взаимодействий. Но в природе существуют также поля других типов. Например, электромагнитное поле, которое обуславливает широкий ряд явлений в природе и создает условия для практического использования их человеком в своих интересах.

Если вычислить силу гравитационного притяжения между электроном и протоном, находящимися на расстоянии, равном радиусу атома водорода, то получается следующий результат:

F= Gmp ·mn /R2 = 3,61 · 10 -47 Н.

Но между электроном и протоном действует еще одна сила притяжения равная 8,19 · 10 -8 Н, которая намного больше гравитационной силы, но также подчиняется закону обратных квадратов. Эту силу называют электрической или электростатической. Учитывая, что обычные тела состоят из большого числа электронов, протонов и нейтронов, возникает компенсация сил электрического взаимодействия, а в реальности макромира проявляется гравитационное взаимодействие тел.

Источником гравитационного взаимодействия является гравитационная масса. Аналогично источником электрического взаимодействия является электрический заряд. Электрический заряд – это мера электрического взаимодействия между заряженными телами. Заряд может быть как положительным, так и отрицательным. Заряды противоположных знаков притягиваются, а одноименные заряды отталкиваются.

Эксперименты показывают, что ни у одной из заряженных частиц не может быть заряда меньше заряда протона или электрона. Этот .элементарный заряд равен 1,6 · 10 -19 кулона (К). Заряженные тела могут иметь лишь заряд равный кратному целому элементарному заряду. Это означает, что в отличие от массы заряд является квантованной величиной.

Для графического описания электрического поля используют силовые линии, которые представляют собой воображаемые линии, касательные в каждой точке к которым совпадают с направлением вектора напряженности Е в этой точке поля. Силовые линии электростатического поля нигде не пресекаются, являются не замкнутыми и имеют начало на положительных зарядах, а окончание на отрицательных.

 

Рисунок 2.7. Силовые линии поля

 

Каждый электрический заряд независимо от других зарядов создает собственное электрическое поле. В каждой точке пространства происходит наложение полей, которое называют суперпозицией. Принцип суперпозиции полей гласит: напряженность электрического поля системы зарядов N равна векторной сумме напряженностей полей, создаваемых каждым из них в отдельности: Е=Е12 + Е3 +…..+ ЕN = ∑Ni=1 Еi , где N – произвольное положительное целое число. Если данная система электрических зарядов создает поле в среде с определенной диэлектрической проницаемостью, то напряженность поля меньше в ε раз, где ε – относительная диэлектрическая проницаемость среды. В вакууме ε=1.

Естествознание не только выделяет типы материальных объектов во Вселенной, но и раскрывает связи между ними. Связь между объектами в целостной системе более упорядочена, более устойчива, чем связь каждого из элементов с элементами из внешней среды. Чтобы разрушить систему, выделить из системы тот или иной элемент, нужно приложить к ней определенную энергию. Эта энергия имеет разную величину и зависит от типа взаимодействия между элементами системы. В мегамире эти взаимодействия обеспечиваются гравитацией, в макромире к гравитации добавляется электромагнитное взаимодействие, и оно становится основным, как более сильное. В микромире на размерах атома проявляется еще более сильное ядерное взаимодействие, обеспечивающее целостность атомных ядер. При переходе к элементарным частицам энергия внутренних связей становится сравнимой с собственной энергией частиц — слабое ядерное взаимодействие обеспечивает их целостность. Так что чем меньше размеры материальных систем, тем более прочно связаны между собой элементы.

История науки знает множество попыток представить сложные процессы во Вселенной в виде определенных схем. Успешное познание окружающего мира и приведение наблюдаемых явлений к простейшим понятиям возможны лишь в том случае, если бы мы сумели описать мир в терминах ограниченного числа фундаментальных частиц и нескольких типов фундаментальных взаимодействий, в которые они могут вступать. В настоящее время все взаимодействия в природе сводят к четырем типам: гравитационные, электромагнитные, сильные ядерные и слабые ядерные.

 

Единицы физических величин

 

Идеализируя объекты и явления материального мира на основе физических характеристик, человечество в рамках физики сформировало целостную систему физических величин и систему их измерения, позволяющие в значительной степени однозначно описывать реальную действительность на понятном для каждого образованного человека языке.

Возникновение физических характеристик предшествовало формированию системы единиц их измерения и представляло длительный исторический процесс. Только в середине XX столетия была создана Международная система единиц (СИ). В нашей стране она введена с 1 января 1963 г. по рекомендации XI Генеральной международной конференции по мерам и весам. В настоящее время большинство стран мира пользуется этой системой, что особенно важно в условиях глобализации экономик развитых стран.

Характеристика реальных объектов с помощью идеальных образов, дополненная физическими измерениями, создает целостные представления об окружающем мире и взаимосвязях в нем. В этом плане важной задачей физики является установление взаимосвязей между множеством физических величин. Измерить физическую величину – это значит сравнить ее с однотипной величиной, принятой за эталон, т.е. за единицу измерения. Безусловно, существует возможность выбора самых разнообразных эталонов, что может привести к созданию большого числа единиц измерения и затруднит количественные описания физических закономерностей (на определенном этапе развития физическая наука это испытала). Для измерений длины в физике пользуются метрической системой, которая сложилась исторически и связана с периодом Великой французской революции. Первоначально метр был определен как одна десятимиллионная доля расстояния от экватора до Северного полюса вдоль меридиана, проходящего через Париж. В 1889 г. метр официально был определен как расстояние между двумя параллельными метками, нанесенными на платиноиридиевом брусе. Он хранится в строго определенных условиях в Международном бюро мер и весов в Севре, пригороде Парижа. Сравнить длину тела с эталонным метром с погрешностью до 2 • 10-7 можно с помощью прецизионного микроскопа. Эта точность определяется толщиной меток. В 1961 г. в качестве эталона длины была принята длина волны в вакууме оранжевого света, испускаемого изотопом Кr-86. В точности 1 м составляет 1 650 763,73 длины волны Кr-86. В 1983 г. на XVII Генуэзской конференции по мерам и весам было принято новое определение метра: «Метр — длина пути, проходимого светом в вакууме за 1/299792458 долю секунды».

В физике, химии, биологии и некоторых других науках используются по-прежнему некоторые внесистемные единицы, например, ангстрем – единица длины (1ангстрем = 10-10 м); единица энергии – электронвольт (1эВ = 1,6 ·10-19 Дж); единица массы – атомная единица массы (1 а.е.м. = 1,66 ·10-27 кг). Кроме того в ряде стран все же сохраняются традиционно национальные единицы, например, в США используется в качестве единицы измерения длины миля (1 миля равна 1,6 километрам); градусы по Фарингейту для измерения температуры (t=5/9 (F – 32)); для измерения массы применяется фунт (1 фунт = 0,4 кг), карат (1 кр=0,2 г).

Для установления взаимосвязи той или иной единицы с основными единицами используется соотношение, которое называется размерностью. Размерность физической величины обозначается ее буквенными символами в квадратных скобках, а в развернутом виде как произведение буквенных символов соответствующих основных величин. Например, [f] = M LT -2 – размерность физической величины под названием сила, где M – единица массы, L – единица длины, T – единица времени.

 


Международная система единиц (СИ):

 

Основные единицы
Наименование величины Единица
Наименование Обозначение  
Определение
Длина Метр м Метр есть длина пути, проходимого светом в вакууме за интервал времени 1/299 792 458 с
Масса Килограмм кг Килограмм равен массе международного прототипа килограмма
Время Секунда с Секунда равна 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133
Сила электрического тока Ампер А Ампер равен силе неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м один от другого, вызвал бы на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную 2·10–7 Н
Термодинамическая температура Кельвин К Кельвин равен 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды
Количество вещества Моль моль Моль равен количеству вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде-12 массой 0,012 кг. При применении моля структурные элементы должны быть специфицированы и могут быть атомами, молекулами, ионами, электронами и другими частицами или специфицированными группами частиц
Сила света Кандела кд Кандела равна силе света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540·1012 Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср
Дополнительные единицы
Плоский угол Радиан рад Радиан равен углу между двумя радиусами окружности, длина дуги между которыми равна радиусу
Телесный угол Стерадиан ср Стерадиан равен телесному углу с вершиной в центре сферы, вырезающему на поверхности сферы площадь, равную площади квадрата со стороной, равной радиусу сферы
Производные единицы пространства и времени
Площадь Квадратный метр м2 Квадратный метр равен площади квадрата со сторонами, длины которых равны 1 м
Объем, вместимость Кубический метр м3 Кубический метр равен объему куба с ребрами, длины которых равны 1 м
Скорость Метр в секунду м/с Метр в секунду равен скорости прямолинейно и равномерно движущейся точки, при которой точка за время 1с перемещается на расстояние 1 м
Ускорение Метр на секунду в квадрате м/с2 Метр на секунду в квадрате равен ускорению прямолинейно и равноускоренно движущейся точки, при котором за время 1с скорость точки возрастает на 1м/с
Угловая скорость Радиан в секунду рад/с Радиан в секунду равен угловой скорости равномерно вращающегося тела, при которой за время 1с совершается поворот тела относительно оси вращения на угол 1 рад
Период Секунда с  
Частота периодического процесса Герц Гц Герц равен частоте периодического процесса, при которой за время 1с происходит один цикл периодического процесса
Производные единицы механических величин
Плотность Килограмм на кубический метр кг/м3 Килограмм на кубический метр равен плотности однородного вещества, масса которого при объеме 1 м3 равна 1кг
Импульс (количество движения) Килограмм-метр в секунду кг·м/с Килограмм-метр в секунду равен импульсу (количеству движения) тела массой 1кг, движущегося со скоростью 1м/с
Сила Ньютон Н Ньютон равен силе, сообщающей телу массой 1 кг ускорение 1 м/с2 в направлении действия силы
Момент силы, момент пары сил Ньютон-метр Н·м Ньютон-метр равен моменту силы, создаваемому силой 1Н относительно точки, расположенной на расстоянии 1м от линии действия силы
Импульс силы Ньютон-секунда Н·с Ньютон-секунда равна импульсу силы, создаваемому силой 1Н, действующей в течении времени 1с
Давление, напряжение (механическое) Паскаль Па Паскаль равен давлению (механическому напряжению), вызываемому силой 1Н, равномерно распределенной по нормальной к ней поверхности площадью 1м2
Работа, энергия Джоуль Дж Джоуль равен работе, совершаемой при перемещении точки приложения силы 1Н на расстояние 1м в направлении действия силы
Мощность Ватт Вт Ватт равен мощности, при которой совершается работа 1Дж за время 1с
Поверхностное натяжение Ньютон на метр Н/м Ньютон на метр равен поверхностному напряжению, создаваемому силой 1Н, приложенной к участку контура свободной поверхности длиной 1м и действующей нормально к контуру и по касательной к поверхности
Производные единицы тепловых величин
Температура Цельсия Градус Цельсия °C По размеру градус Цельсия равен кельвину
Количество теплоты Джоуль Дж Джоуль равен количеству теплоты, эквивалентному работе 1Дж
Теплоемкость Джоуль на кельвин Дж/К Джоуль на кельвин равен теплоемкости системы, температура которой повышается на 1К при подведении к системе количества теплоты 1Дж
Удельная теплоемкость Джоуль на килограмм-кельвин Дж/(кг·К) Джоуль на килограмм-кельвин равен удельной теплоемкости вещества, имеющего при массе 1кг теплоемкость 1Дж/К
Производные единицы величин молекулярной физики
Молярная масса Килограмм на моль кг/моль  
Производные единицы электрических и магнитных величин
Количество электричества, электрический заряд Кулон Кл Кулон равен количеству электричества, проходящего через поперечное сечение при токе силой 1А за время 1с
Напряженность электрического поля Вольт на метр В/м Вольт на метр равен напряженности однородного электрического поля, при которой между двумя точками, находящимися на линии напряженности поля на расстоянии 1м, создается разность потенциалов 1В
Электрическое напряжение, электрический потенциал; разность электрических потенциалов; электродвижущая сила Вольт В Вольт равен электрическому напряжению на участке электрической цепи, при котором в участке проходит постоянный ток силой 1А и затрачивается мощность 1Вт
Электрическая емкость Фарад Ф Фарад равен электрической емкости конденсатора, при которой заряд 1Кл создает на конденсаторе напряжение 1В
Магнитная индукция Тесла Тл Тесла равен магнитной индукции, при которой магнитный поток сквозь поперечное сечение площадью 1м2 равен 1>Вб
Магнитный поток Вебер Вб Вебер равен магнитному потоку, при убывании которого до нуля в сцепленной с ним электрической цепи сопротивлением 1 Ом через поперечное сечение проводника проходит количество электричества 1>Кл
Индуктивность Генри Гн Генри равен индуктивности электрической цепи, с которой при силе постоянного тока в ней 1А сцепляется магнитный поток 1>Вб
Электрическое сопротивление Ом Ом Ом равен электрическому сопротивлению участка электрической цепи, при котором постоянный ток силой 1А вызывает падение напряжения 1В
Удельное электрическое сопротивление Ом-метр Ом·м Ом-метр равен удельному сопротивлению вещества, при котором участок выполненной из этого вещества электрической цепи длиной 1м и площадью поперечного сечения 1м2 имеет сопротивление 1 Ом
Производные единицы световых величин
Энергия излучения Джоуль Дж Джоуль равен энергии излучения, эквивалентной работе 1Дж
Поток излучения, мощность излучения Ватт Вт Ватт равен потоку излучения, эквивалентному механической мощности 1Вт
Световой поток Люмен лм Люмен равен световому потоку, испускаемому точечным источником в телесном угле 1ср при силе света 1кд
Световая энергия Люмен-секунда лм·с Люмен-секунда равна световой энергии, соответствующей световому потоку 1лм, излучаемому или воспринимаемому в течении 1с
Яркость Кандела на квадратный метр кд/м2 Кандела на квадратный метр равна яркости светящейся поверхности площадью 1м2 при силе света 1кд
Светимость Люмен на квадратный метр лм/м2 Люмен на квадратный метр равен светимости поверхности площадью 1м2 при световом потоке падающего на нее излучения, равном 1лм
Освещенность Люкс лк Люкс равен освещенности поверхности площадью 1м2 при световом потоке падающего на нее излучения, равном 1лм
Производные единицы величин ионизирующих излучений
Поглощенная доза излучения Грэй Гр Грэй равен поглощенной дозе излучения, при которой облученному веществу массой 1кг передается энергия любого ионизирующего излучения 1Дж
Мощность поглощенной дозы излучения (мощность дозы излучения) Грэй в секунду Гр/с Грэй в секунду равен мощности поглощенной дозы излучения, при которой за время 1с облученным веществом поглощается доза излучения 1Дж/кг
Активность нуклида в радиоактивном источнике Беккерель Бк Беккерель равен активности нуклида, при которой за время 1с происходит один акт распада

 

Для практического измерения физических величин используют приставки, которые указывают кратное значение, поскольку в реальности роль играют доли физических величин, в то же время когда сама величина имеет слишком большое абсолютное значение.

 

Таблица 2.1. Приставки и множители десятичных кратных и дольных единиц международной системы си

 

экса Э 1018 деци д 10–1
пета П 1015 санти с 10–2
тера Т 1012 милли м 10–3
гига Г 109 микро мк 10–6
мега М 106 нано н 10–9
кило к 103 пико п 10–12
гекто г 102 фемто ф 10–15
дека да 101 атто а 10–18

 

 

Вопросы и задания для закрепления знаний:

1. Что понимают под реальностью?

2. Что означает выражение простанственно-временной континуум?

3. Почему в естествознании широко применяется идеализация объекта реальности?

4. Для чего нужна система физических единиц?

5. Что понимают под физическими характеристиками идеальных объектов?

Лекция 3.






ТОП 5 статей:
Экономическая сущность инвестиций - Экономическая сущность инвестиций – долгосрочные вложения экономических ресурсов сроком более 1 года для получения прибыли путем...
Тема: Федеральный закон от 26.07.2006 N 135-ФЗ - На основании изучения ФЗ № 135, дайте максимально короткое определение следующих понятий с указанием статей и пунктов закона...
Сущность, функции и виды управления в телекоммуникациях - Цели достигаются с помощью различных принципов, функций и методов социально-экономического менеджмента...
Схема построения базисных индексов - Индекс (лат. INDEX – указатель, показатель) - относительная величина, показывающая, во сколько раз уровень изучаемого явления...
Тема 11. Международное космическое право - Правовой режим космического пространства и небесных тел. Принципы деятельности государств по исследованию...



©2015- 2024 pdnr.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.