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=Е1 +Е2 + 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.
|
|