Раздел 3. Физические концепции Тема №4. Основные определения и понятия физических концепций

План лекции:

4.1 Материя и ее свойства.

4.2 Основные формы движения материи.

Крестным отцом физики принято считать Аристотеля. До Аристотеля единого взгляда на мир не существовало. Науку о природе он назвал физикой. Однако истинным основателем физики Аристотеля считать нельзя – слишком уж много он совершил ошибок. Настоящая физика в современном ее понимании началась с работ Галилея – Ньютона, т.е. полторы тысячи лет спустя.

Сегодня физика включает в себя многочисленные разделы: механику, молекулярную физику, электричество и магнетизм, термодинамику, оптику, атомную физику, ядерную физику и др. В свою очередь каждый из этих разделов состоит из подразделов, в частности, механика изучает кинематику, динамику и статику.

Одними из основных понятий физики являются понятия материи, движения, пространства и времени.

Материя – это все то, что прямо или косвенно действует на органы чувств человека и другие объекты. Неотъемлемое свойство материи – движение. Без движения нет материи и наоборот.

В современном естествознании различают три вида материи: вещество, физическое поле и физический вакуум.

Вещество – это основной вид материи, имеющий массу. К веществам относятся: элементарные частицы, атомы, молекулы и объекты, образованные из этих частиц. Вещества существуют в различных агрегатных состояниях (в различных фазах): твердом, жидком, газообразном. Также вещество может существовать в виде плазмы, есть вещества, которым присущи свойства различных фазовых состояний (ситаллы, жидкие кристаллы и пр.).

Физическое поле – особый вид материи, обеспечивающий физическое взаимодействие материальных объектов и их систем. К физическим полям относятся – электромагнитное и гравитационное поля, поле ядерных сил, а также поля, соответствующие различным частицам (например, электрон-позитронное поле).

Физический вакуум – низшее энергетическое состояние квантового поля. Всеобщими универсальными формами движения материи являются пространство и время. Движение материальных объектов и различные реальные процессы происходят в пространстве и во времени.

Контрольные вопросы:

1. Что такое материя?

2. Какие виды материи нам известны?

3. Чем отличается физический вакуум от пустоты?

Рекомендуемая литература:

1. Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. Учеб. Для вузов. М.: Высшая школа, 2003 – 488 с. ISBN 5-06-004242-1.

2. Крюков Р. В.; Р. В. Крюков Концепции современного естествознания. Пособие для подготовки к экзаменам. Москва, Приор-издат, 2005 - 176 с. ISBN: 5-9512-0491-7, 5-9030-4679-7.

Интернет ресурсы:

1. http://elementy.ru/physics - научный сайт «Элементы».

2. http://www.fieldphysics.ru/matter/ - матери в полевой физике.

Тема №5. Механическое движение и его описание

План лекции:

1. Пространство и время.

2. Механическое движение и средства его описания.

3. Модели в физике.

4. Перемещение частицы.

5. Инерциальные системы отсчета.

6. Механический принцип относительности.

7. Законы И.Ньютона.

8. Законы И.Кеплера.

9. Законы сохранения и симметрия пространства и времени.

Пространство и время – неотъемлемые составляющие человеческого опыта, любого нашего взгляда на мир. Проблема пространства и времени впервые была удовлетворительно решена в работах Исаака Ньютона. Ньютон стал автором механической картины мира, которая была первой действительно научной картиной мира и в которой существенную роль играла именно концепция пространства – времени.

Ньютон различал абсолютные и относительные пространство и время, абсолютные и относительные движения. Абсолютные пространство и время являются объективными реальными сущностями, не зависящими от наблюдений и движения материальных объектов. Относительные пространство и время – категории эмпирические; они постигаются чувствами, используются в обыденной жизни и при наблюдениях. Задача физики, по Ньютону, состоит в том, чтобы распознать истинные, абсолютные движения и изучать их законы.

С одной стороны, пространство и время служат вместилищами механических процессов, ареной всех явлений – это абсолютные пространство и время. С другой стороны, сами пространство и время становятся различными, благодаря механическим процессам – это относительные пространство и время.

Необходимо отметить, что если абсолютное пространство всегда однородно и изотропно, то относительное пространство при вращении системы уже не имеет свойств однородности и изотропности. Точки такой системы, расположенные дальше от центра вращения, будут испытывать большее центробежное ускорение, чем точки, расположенные ближе к центру вращения.

Все движения тел рассматриваются относительно неподвижного и неизменяемого абсолютного пространства, выступающего у Ньютона как абсолютная система отсчета. Геометрические свойства абсолютного пространства полностью совпадают со свойствами пространства Евклида: оно однородно и изотропно, трехмерно, неограниченно, обладает нулевой кривизной и метрично определены расстояния между точками пространства.

Аналогично трактует Ньютон и сущность времени. Абсолютное время есть поток чистой деятельности, который не зависит от движения тел. Этот поток неограничен, однороден, непрерывен, одномерен и всегда направлен в одну сторону – в будущее. А потому время определяется одним параметром t (-∞ < t < ∞ ). Однородность времени означает, что все законы движения не изменяются с течением времени.

Механическое движение и средства его описания. Механическое движение тела – это процесс изменения его положения относительно твердого тела, выбранного за тело отсчета. Механическое движение относительно: по отношению к разным телам отсчета оно выглядит по-разному, вплоть до того, что может вообще смениться покоем, если за тело отсчета принять тело, движение которого мы изучаем. Так самолет в небе перемещается относительно Земли и облаков, но покоится относительно сидящего в кресле пассажира.

Для описания движения материальных тел нужно выбрать систему отсчета. Система отсчета – это совокупность тела отсчета, связанной с ним системы координат и неподвижных часов.

Система координат (декартова) представляет собой твердую решетку из масштабных стержней (оси координат x, y и z), жестко связанную с телом отсчета.

Часы измеряют время. Время выражает порядок смены физических состояний и являются объективной характеристикой любого процесса или явления. В современных представлениях время всегда относительно. Важнейшее свойство времени заключается в его необратимости.

Выбрав ту или иную систему отсчета для изучения движения можно взяться за материальные объекты, движение которых мы изучаем. Но все реальные тела имеют сложную атомную структуру, а также обладают многочисленными механическими, тепловыми, электрическими, оптическими и др. свойствами. Учесть сразу все это многообразие мы не в состоянии. Чтобы изучение окружающего мира стало возможным, необходимо заменить реальные тела их моделями, т.е. произвести идеализацию. Моделями в физике называют идеализированные объекты, в которых пренебрегают несущественными в данной задаче деталями и свойствами реальных тел и сохраняют только их основные определяющие черты.

Наиболее простыми моделями, используемыми в механике, являются материальная точка и абсолютно твердое тело.

Материальной точкой называют абстрактное тело нулевых размеров. Пренебречь размерами тела можно тогда, когда тело движется без вращения (или вращательную часть его движения можно не рассматривать в условиях данной задачи) и при этом его размеры много меньше расстояний, характерных для рассматриваемого в задаче движения.

Наряду с понятием материальной точки в современной физике широко используется понятие «частица». В классической физике эти термины считаются синонимичными, в физике микромира применяется только последний термин.

В некоторых задачах, например при изучении равновесия тел, пренебречь размерами тела нельзя даже тогда, когда оно не совершает никакого вращательного движения. В этом случае рассматриваемое тело часто бывает удобно представить в виде системы материальных точек, взаимное расположение которых с течением времени остается неизменным. Деформациями такого тела пренебрегают, и поэтому соответствующую модель называют абсолютно твердым телом.

Когда деформациями тела пренебречь нельзя используется модель идеально упругого тела.

Основной характеристикой движения материальной точки в классической физике является закон движения материальной точки.

Перемещением частицы называют вектор, проведенный из начального положения частицы в ее конечное положение в той же системе отсчета.

Механическое движение характеризуется также скоростью и ускорением.

Мгновенной скоростью частицы называют предел отношения перемещения частицы к промежутку времени, за которое это перемещение произошло, при стремлении последнего к нулю:

V = .

Наряду с понятием мгновенной скорости в физике часто используется понятие средней скорости. Скорость является векторной величиной. В каждый момент времени она направлена по касательной к траектории, по которой движется тело. Единица скорости в международной системе единиц СИ – м/с.

Скорость тела с течением времени может изменяться. Характеристикой быстроты изменения скорости является векторная физическая величина, называемая ускорением a. Ускорение равно пределу, к которому стремится отношение изменения скорости ∆V к промежутку времени ∆t, за который это перемещение произошло.

Если траектория представляет собой плоскую кривую, вектор ускорения лежит в той же плоскости, что и траектория. Причем ускорение направлено в сторону вогнутости траектории и составляет с направлением вектора скорости острый угол, когда скорость возрастает, и тупой угол – когда убывает.

Единица ускорения в СИ – м/с². Единицу ускорения в 100 раз меньше, т.е. 1 см/с² называют галлом (Гал) – в честь великого итальянского ученого Галилео Галилея, впервые установившего законы равноускоренного движения.

Вслед за ускорением можно было бы ввести величину w, характеризующую быстроту его изменения. Но, по не вполне понятным причинам, при описании нашего мира не требуются уравнения движения, содержащие подобные величины.

Инерциальные системы отсчета. В силу относительности движения каждая из всех выше перечисленных характеристик имеет определенное значение лишь в той или иной системе отсчета. В разных системах отсчета одно и то же движение выглядит по-разному : различными могут быть траектории движения, зависимости r(t), а также скорости и ускорения. При этом в одних системах отсчета движение представляется проще, в других - сложнее.

Если в системе отсчёта всякий процесс, протекающий в замкнутой совокупности тел, не зависит от ее местоположения, ориентации в пространстве и от момента времени, в который начался процесс, то говорят, что пространство и время в такой системе обладают симметрией. Под этим понимают однородность пространства (равноправие всех точек), изотропность пространства (равноправие всех направлений) и однородность времени (равноправие всех моментов времени). В таких системах отсчёта выполняется закон интеграции: тело, бесконечно удаленное от всех остальных тел, сохраняет свою скорость неизменной. Поэтому такие системы отсчёта называются инерциальными. В инерциальных системах отсчета одинаково поставленные отсчёты приводят к идентичным результатам, независимо от того, где и когда они проводились, а также от того, как при этом была ориентирована экспериментальная установка. И наоборот, если система отсчёта является неинерциальной, то и опыты будут давать разные результаты.

Помимо пространственно-временной законы природы обладают еще и другой симметрией. Одним из тех, кто первым обратил на неё серьёзное внимание, был Галилео Галилей. Он доказал, что одинаково поставленные механические опыты и в системе отсчёта, неподвижной относительно Земли, и в тех, что движутся относительно неё равномерно и прямолинейно, приводят к совершенно одинаковым результатам.

В настоящее время принцип относительности Галилея формулируют следующим образом: законы механики во всех инерциальных системах отсчета имеют один и тот же вид. Именно поэтому, в частности, находясь в закрытом вагоне и проводя в неё разные механические эксперименты, невозможно по результатам определять покоится этот вагон или движется относительно Земли равномерно и прямолинейно.

Однако в начале XX века Жюль Анри Пуанкаре и Альберт Эйнштейн сняли имеющиеся несообразности, распространив принцип относительности на все явления природы. При этом пришлось радикально пересмотреть привычные представления о пространстве и времени. Оказалось, что не только законы механики, но и все другие законы физики во всех инерциальных системах отсчёта имеют один и тот же вид.

Первое, что нас будет интересовать, - это характер движения изолированной материальной точки, т.е. тела бесконечно удаленного от всех остальных тел. Согласно первому закону Ньютона, - тело сохраняет свое состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, т.е. движется без ускорения, до тех пор, пока оно остается изолированным.

Это уже известный нам закон инерции. Поскольку он справедлив в рассматриваемых системах отсчета, то их называют инерциальными.

Второй закон Ньютона описывает движение тела (частицы), учитывая его взаимодействие с другими телами. Согласно ему, изменение импульса частицы равно произведению силы, с которой на нее действуют окружающие тела, на время их действия, т.е.

∆p=F∙∆t или ∆p/∆t=F, где ∆p=m∙v – импульс частицы.

Если m=const, то ∆p=∆( m∙v)= m∙∆v=m∙a∙∆t, т.к. ∙∆v =a∙∆t и потому второй закон Ньютона можно переписать в виде: F=m∙a.

Третий закон Ньютона описывает ситуацию, когда во взаимодействии участвуют два тела: силы взаимодействия двух частиц равны по модулю и направлены в противоположные стороны вдоль соединяющих их прямой.

Если обозначить через F₁₂ силу, с которой первое тело действует на второе, а F₂₁ – силу, с которой, второе тело действует на первое, то в соответствии с третьим законом Ньютона получается:

F₁₂ = - F₂₁

Третий закон Ньютона иначе называется законом действия и противодействия (каждое действие равно противодействию). Он справедлив во всех, даже неинерциальных системах отсчета.

В картине мира, созданной Аристотелем, не было места всемирному тяготению. Круговое движение небесных светил считалось естественным и не требовало приложения каких-либо сил. Таким же естественным казалось Аристотелю и падение тяжелых тел на Землю. Ведь Земля, по его представлениям находилась в центре Вселенной, а куда еще, как не в этот центр, должно быть направлено естественное движение в подлунном мире?

Однако в XVI веке Николай Коперник “выгнал” Землю из центра мироздания и “поместил” на ее место Солнце, а все планеты “заставил” вращаться вокруг него. Создание новой системы мира требовало и нового решения проблемы тяготения. Если в центре Вселенной находится Солнце, а не Земля, то аристотелевское стремление тел к центру мира уже не работает.

Понимая это, Коперник пришел к очень важному выводу: тяжесть существует не только на Земле, но и на других небесных телах.

Следующий шаг был сделан в 1699 г. немецким ученым Иоганном Кеплером. Проанализировав обширные данные об изменении положения небесных тел, он пришел к выводу, что планеты движутся не по окружностям, а по эллиптическим орбитам, причем не вокруг их центра, а вокруг Солнца, находящегося в одном из фокусов этих эллипсов (первый закон Кеплера). Но разве такое движение можно считать естественным?

Сначала Кеплер предполагал, что солнечные лучи заставляют планеты двигаться вдоль своих орбит, но вскоре переменил свое мнение, остановившись на гипотезе о магнитной природе тяготения. Он предположил, что вращающееся Солнце испускает силовые “магнитные нити”, увлекающие планеты за собой.

Второй закон Кеплера гласил, что радиус-вектор планеты в равные промежутки времени описывает равные площади. Отсюда следовало, что с увеличением расстояния до Солнца, скорость планет убывает. Поэтому, считая справедливым закон Аристотеля о пропорциональности силы и скорости, Кеплер приходит к выводу, что “сила, исходящая от Солнца” тоже должна убывать с увеличением расстояния до планет. Но Кеплер говорит, что сила тяготения между планетами и Солнцем должна убывать обратно пропорционально расстоянию до Солнца, а не квадрату расстояния. Ошибка Кеплера задержала появление закона Всемирного тяготения на несколько десятилетий.

К идее о существовании всемирного тяготения или гравитации, Ньютон пришел еще в 1666 г., когда ему было 24 года.

В современной формулировке открытый Ньютоном закон Всемирного тяготения звучит следующим образом: сила гравитационного притяжения любых двух частиц прямо пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними, т.е.

F = G∙ ,

Где G – фундаментальная физическая константа, называемая гравитационной постоянной.

Законы сохранения и симметрия пространства и времени. Динамические переменные (координаты, скорости частицы, импульсы, моменты импульса, энергия) представляют собой физические величины, значения которых зависят от состояния, и, вообще говоря, изменяются с течением времени.

Понятие импульса было введено в первой половине XVII века Рене Декартом. Импульс – это векторная величина, равная произведению массы частицы на ее скорость и направленная в ту же сторону, что и скорость частицы. Закон сохранения импульса гласит: при любых процессах, происходящих в замкнутой системе (система называется замкнутой, если сумма всех действующих на систему внешних сил равна нулю), ее полный импульс остается неизменным.

Закон сохранения импульса является следствием однородности пространства.

Импульс является векторной мерой движения. Скалярной мерой движения является энергия.

Полная механическая энергия системы представляет собой сумму потенциальной и кинетической энергии. Закон сохранения механической энергии: при любых процессах, происходящих в консервативной системе (система называется консервативной, если в ней действуют только консервативные силы, т.е. силы, работа которых на замкнутом пути равна нулю), ее полная механическая энергия остается неизменной.

Закон сохранения энергии является следствием однородности времени.

Моментом импульса называется векторное произведение радиус – вектора частицы на ее импульс:

L =[r∙∙p].

Момент импульса является третьей динамической переменной, для которой существует фундаментальный закон сохранения. Закон сохранения момента импульса гласит: при любых процессах в изолированной системе (системы называется изолированной, если ни на одну из точек системы не действуют внешние силы), ее полный момент импульса остается неизменным.

Закон сохранения момента импульса является следствием изотропности пространства.

Исследование свойств симметрии, из которой вытекают все законы сохранения, является важной задачей современной физики.

Контрольные вопросы:

1. Назовите три начала И. Ньютона.

2. Что такое импульс?

3. По какой траектории движутся планеты?

4. Приведите примеры инерциальных систем отсчета.

Рекомендуемая литература:

1. Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов. М.: Юнити, 2010. ISBN: 5-238-00564-4.

2. Белкин П.Н. Концепции современного естествознания: Учебное пособие для вузов Россия Москва, Высшая школа, 2004 – 335 с. ISBN: 5-06-004505-6.

Интернет-ресурсы:

1. http://www.alhimik.ru/great/galiley.html - научный сайт «Алхимик».

2. http://termexn.ru/oma/nuton20.htm - курс лекций по физике.