Материя, движение, пространство, время

Концепция современного естествознания

Введение

Механическое движение

Прямолинейное равномерное движение

Прямолинейное неравномерное движение

Криволинейное движение

Законы движения

Взаимодействие тел

Сила. Второй закон Ньютона

Третий закон Ньютона

Силы в природе и движения тел

Сила всемирного тяготения

Сила тяжести. Вес тела

Сила трения. Трение покоя

Колебания

Пространство и время. Специальная теория относительности

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Окружающий нас мир материален. Материя существует независимо от нашего сознания и действует на наши органы чувств. Одно из основных свойств материи — ее изменчивость. Всевозможные изменения материи называют явлениями природы. Физика — наука о неживой природе, она изучает свойства материи, ее изменения, законы описывающие эти изменения, связь между явлениями.

Однако не свойства материи и не все законы природы известны и изучены. Естественно стремление человека знать и понимать окружающий нас мир. Материальный мир един и все в нем взаимосвязано. Эта работа затрагивает вопросы, которые возникали при изучении движения и взаимодействия тел и легли в основу раздела физики, который называется Механика.

Механическое движение Простейшей и в то же время наиболее часто встречающейся и привычной нам формой движения в природе является механическое движение, состоящее в изменении взаимного расположения тел или их частей. Под механическим действием на тело понимают такое воздействие со стороны других тел, которое приводит к изменению состояния механического движения рассматриваемого тела или к его деформации, т. е. к изменению. В общем случае оба эти проявления механического действия на тело сопутствует друг другу.

Наблюдая движущийся по шоссе автомобиль, мы получим представление о его движении. Действительно, при движении изменяются сразу две величины — расстояние и время. Расстояние относится к пространству, время — независимо от движения величина, измеряемая часами. Одно и то же механическое тело, наблюдаемое из разных пунктов, совершает неодинаковые движения. Наблюдателю из одного пункта кажется, что от него убегает автомобиль, а другому, что он приближается к нему. Из этого следует вывод: движение тел относительно разных наблюдателей различно, а само движение относительно. Откуда нужно наблюдать за движением тела, чтобы оно выглядело настоящим, абсолютным? Ответ на этот вопрос ученые искали с давних пор.

Развитие механики как науки начинается с III в. до н.э., когда древнегреческий ученый Архимед (287−212 г. до н.э.) сформулировал закон равновесия рычага и законы равновесия плавающих тел. Основные законы механики установлены итальянским физиком и астроном Г. Галилеем (1564−1642) и английским ученым И. Ньютоном (1643−1727).

Механика Галилея — Ньютона называется классической. В ней изучается законы движения макроскопических тел, скорости которых малы по сравнению со скоростью света С в вакууме. Законы движения макроскопических тел со скоростями, сравнимыми со скоростью света, изучаются релятивистской механикой, основанной на специальной теории относительности, сформулированной А. Эйнштейном (1879−1955). Для описания движения микроскопических тел (отдельные атомы и элементарные частицы) законы классической механики неприменимы — они заменяются законами квантовой механики.

Чтобы изучать движение тела, т. е. изменение положения его в пространстве, нужно уметь определять это положение. Для этого нужно выбрать тело отсчета, через его любую точку провести оси координат и описать положение любой точки в пространстве ее координатами. Перемещением тела, называют направленный отрезок прямой, соединяющий начальное положение тела с его последующим положением.

Прямолинейное равномерное движение Самый простой вид механического движения — это прямолинейное равномерное движение. Скоростью этого движения называют постоянную векторную величину, равную отношению перемещения тела за любой промежуток времени к значению этого промежутка.

Вектор скорости направлен также как вектор перемещения.

Отсюда S=V t Sx=Vx t — проекции векторов на Ось х, Но Sx=x-xo, тогда подставим в Sx=vxt получим x-xo=vxt, или x= xo+ vxt, это уравнение показывает, как координата х тела зависит от времени t. Отсюда можно выразить vx

Смысл величины скорость в следующем:

— Проекция скорости на координатную ось равна изменению координаты в единицу времени.

Положение тела относительно: оно различно относительно разных систем координат. Относительно и движение тела. Следовательно, и покой и движение относительны. Абсолютно покоящихся тел не существует: тело, покоящееся относительно одной системы координат, движется относительно каких-то других систем. Материя существует только в движении.

Прямолинейное неравномерное движение Если скорость движения со временем изменяется, то такие движения называются неравномерными. В этом случае определять перемещение по формуле уже нельзя, так как скорость в разных местах траектории и в разные моменты времени различна. Иногда пользуется средней скоростью, но все — таки нужно знать мгновенную скорость.

Если скорость тела за любые равные промежутки времени изменяется одинаково, то такое движение тела называется равноускоренным движением.

Ускорением тела при его равноускоренном движении называется величина, равная отношению изменения скорости к промежутку времени, в течение которого это изменение произошло.

Если ускорение велико по модулю, то значит, тело быстро набирает скорость (разгоняется) или быстро теряет ее (при торможении).

Замечательным примером прямолинейного равноускоренного движения в природе является свободное падение тела и движение тела, брошенного вертикально вверх. Такие движения изучал еще в ХVI в. Галилео Галилей. Он установил, что эти движения равноускоренные, что ускорение направлено по вертикали вниз и по модулю равно 9,81 м/сек2.

Это ускорение было одинаково для всех тел в вакууме. Такое падение называется свободным падением. Вниз тело движется с возрастающей скоростью и скорость каждую секунду увеличивается на 9,81 м/сек. Вверх брошенное тело движется с убывающей скоростью.

Криволинейное движение Зачастую траектории движения представляют собой не прямые, а кривые линии. Это движение в космическом пространстве планет и искусственных спутников Земли, а на Земле — движение транспорта, частей механизмов и др. Криволинейное движение сложнее прямолинейного. При прямолинейном движении направление вектора скорости всегда совпадает с направлением перемещения. При криволинейном движении тела направление вектора скорости изменяется непрерывно. Мгновенная скорость тела в любой точке криволинейной траектории направлена по касательной к траектории в этой точке, т. е. в разных точках имеет различные направления. По модулю же скорость может быть всюду одинаковой или изменяется от точке к точке.

Криволинейное движение с постоянной по модулю скоростью — называется криволинейным равномерным движением. Ускорение при таком движении связано с изменением направления скорости. Криволинейное движение — это движение по дугам окружностей. Поэтому отыскание ускорения сводится к нахождению ускорения при равномерном движение тела по окружности.

Было установлено, что ускорение тела, равномерно движущегося по окружности в любой его точке, центростремительное, т. е. направлено по радиусу окружности к ее центру. В любой точке вектор ускорения перпендикулярен вектору скорости и по модулю ускорение во всех точках одно и то же — а. Модуль ускорения зависит от скорости тела и от радиуса соответствующей окружности.

Движение тела по окружности часто характеризуется не скоростью V движения тела, а промежутком времени, за которой тело совершает полный оборот. Эта величина называется периодом обращения Т. Действительно, за период времени Т тело проходит путь, равный длине окружности 2Пr.

Отсюда скорость движения тела по орбите

Подставив в формулу

это выражение, получим формулу для центростремительного ускорения Скорость v движения тела по окружности можно выразить и через частоту n. Частота — величина обратная периоду, n= ;при n оборотах тело пройдет за 1с путь, равный 2Пnr. Подставив это выражение в формулу, получим — центростремительное ускорение.

Законы движения В основе классической динамики лежат три закона Ньютона, впервые сформулированные им в его сочинении Математические начала натуральной философии в 1687 г. первый закон гласит так:

Всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения и не требует для его поддержания каких-либо воздействий.

В этом проявляется особое динамическое свойство тел, называемое инертностью. А сам закон называют также законом инерции. Системы отсчета, по отношению к которым выполняется закон инерции называется инерциальными системами отсчета. Если действия на тело других тел скомпенсированы, то скорость тела остается неизменной, тело движется без ускорения (в состоянии покоя тело тоже не имеет ускорения). Системы отсчета, движущиеся относительно инерциальной системы с ускорением, называется неинерциальными системами отсчета.

Взаимодействие тел Если мы наблюдаем ускоренное движение тела, то всегда можем указать другое тело, которое это ускорение вызвало. Оказывается, что оба тела влияют и подвергаются взаимному влиянию.

Опытным путем было установлено, что отношение модулей ускорений этих тел всегда одно и то же и зависит только от того какие тела взаимодействуют. Всем телам присуще свойство инертности. Поэтому говорят, что масса тела — мера его инертности. Если обозначить массы действующих тел через m1 и m2, то можно написать:

отношение модулей ускорений двух взаимодействующих тел равно обратному отношению их масс.

Сила. Второй закон Ньютона В качестве меры механического действия одного тела на другое вводится векторная величина, называемой силой. Именно так определял силу Ньютон: Приложенная сила есть действие, производимое над телом, чтобы изменить его состояние покоя или равномерного прямолинейного движения.

Если свободно падающее тело движется с ускорением, то оно вызвано действием на это тело Земли. Сила, приложенная к нему (или действующая на него) называется силой тяжести.

Если прикрепить к бруску пружину, растянуть ее и отпустить, то брусок движется по опоре с ускорением. На брусок действует сила со стороны пружины — она и вызвала ускорение бруска. Эта сила называется силой упругости. Сила упругости и сила тяжести по своей природе совершенно различные силы, но они сходны в том, что они сообщают ускорения телам, к которым приложены.

И. Ньютон сформулировал свой второй закон так: Сила, действующая на тело, равна произведению массы тела на сообщаемое этой силой ускорения. Математически он выражается формулой F=m a; отсюда. Здесь под F надо понимать результирующую (равнодействующую) всех приложенных к телу сил.

И первой и второй законы справедливы, если движение рассматривать относительно инерциальных систем отсчета.

Третий закон Ньютона Нам известно, что произведение массы тела на его ускорение равно приложенной к телу силе. Это значит, что m1a1 равно F1, а — m2a2 равно силеF2. Следовательно, F1= -F2 это равенство выражает третий Закон Ньютона: Тела действуют друг на друга с силами, равными по модулю и противоположными по направлению.

Эти силы всегда одной и той же природы. Если, например, на одно из тел действует со стороны другого сила упругости, то оно отвечает этому другому телу тоже силой упругости. Уравновешиваться могут лишь силы, приложенные к одному и тому же телу. Законы Ньютона — это проявления того, что мы называем единством природы: силы и тела могут быть разными, но законы одни для всех сил и всех тел. Тело движется по окружности, в этом случае сила направлена к центру окружности, постоянна по модулю и равна по формуле:

— центростремительная сила

Важно понять, что сила, согласно законам Ньютона, определяет ускорение, а не скорость. Она является причиной изменения движения. Законы механического движения одинаковы для всех инерциальных систем отсчета. Это утверждение называется принципом относительности Галилея.

Силы в природе и движения тел При рассмотрении механического движения тел приходится иметь дело всего с тремя видами сил: с силой упругости, силой тяготения и силой трения. Все тела состоят из атомов и молекул. Расстояние между ними очень малы, как и сами частицы. Силы взаимодействия между частицами обладают одной особенностью. Если увеличить расстояние между частицами, то силы взаимодействия между ними будут силами притяжения, если уменьшить расстояние то они станут силами отталкивания. Силы упругости возникают при деформации тела. Причиной деформации является движение одних частей тела относительно других. Важная особенность силы упругости состоит в том, что она направлена перпендикулярно поверхности соприкосновения тел. В случае сжатых или растянутых стержней, пружин, шнуров, нитей сила упругости направлена вдоль их осей. Зависимость силы упругости от удлинения (деформации) выражается законом Гука.

где х — удлинение тела (пружины)

к — коэффициент пропорциональности, называемый жесткостью тела (пружины). Причем удлинение положительно при растяжении и отрицательно при сжатии. Закон Гука формулируется так: Сила упругости, возникающая при деформации тела, пропорциональна его удлинению и направлена противоположно направлению перемещения частиц тела при деформации.

Сила всемирного тяготения Так как падающие тела движутся с ускорением, направленным вниз, то на них действует сила, направленная вниз, сила притяжения к Земле. В 1667 г. И. Ньютон высказал предположение, что вообще между всеми телами действует силы всемирного тяготения или гравитационные силы. Одно из самых замечательных свойств сил всемирного тяготения — их универсальность. Все что имеет массу, а масса присуща любому виду материи — должно испытывать гравитационное воздействие. Закон всемирного тяготения записывается так:

где G — гравитационная постоянная

Тела притягиваются друг к другу с силой, модуль которой пропорционален произведению их масс и обратно пропорционален квадрату расстояния между ними.

Эти силы — дальнодействующие силы, они сообщают всем телам одинаковое ускорение свободного падения, вызванное земным притяжением, не зависящее ни от состава, ни от строения, ни от массы самих тел. Гравитационная постоянная очень малая величина, поэтому мы не замечаем притяжения обычных тел, окружающих нас, и сами не испытываем к ним притяжения.

Сила тяжести. Вес тела Одно из проявлений силы всемирного тяготения — сила притяжения тела к Земле, называемая также силой тяжести. Она направлена к центру Земли. Ее находят по формуле:

где М3-масса Земли, mт-масса тела, R-радиус Земли.

Ускорение, сообщаемое телу силой тяжести и есть ускорение свободного падения, которое обозначают буквой g и оно равно примерно 9,81 м/сек.2 Для силы тяжести можно записать:

Ускорение свободного падения можно считать постоянным, а свободное падение вблизи Земли равноускоренным движением. Вес тела — это сила, с которой тело, вследствие его притяжения к Земле действует на опору или подвес. Сила тяжести и вес тела — это не одно и то же. Сила тяжести — это гравитационная сила, приложенная к телу. Вес тела — это сила упругости, приложенная к подвесу. Вес тела может быть больше силы тяжести. Увеличение веса тела, вызванное его ускоренным движением называется перегрузкой. Причем ускорение тела противоположно ускорению свободного падения. Тело, падая, движется с ускорением потому, что на него действует сила тяжести, направленная вниз. Ускорение постоянно, так как постоянна действующая на тело сила. Ускорение не зависит от массы тела, потому что сама сила пропорциональна массе. Если тело брошено горизонтально или под углом к горизонту, то во всех этих случаях тело движется с ускорением свободного падения и оно не зависит от того, имело ли тело еще и скорость в горизонтальном направлении или нет.

Сила трения. Трение покоя В земных условиях трение и сила трения всегда сопутствуют механическому движению. Сила трения возникает при непосредственном соприкосновении тел и всегда направлена вдоль поверхности соприкосновения. Этим она отличается от силы упругости, направленной перпендикулярно этой поверхности. На брусок, лежащий на столе действует сила тяжести и уравновешивающая ее сила упругости деформированного стола — сила реакции опоры. Она направлена перпендикулярно поверхности соприкосновения со столом. Если сила, которую приложили параллельно поверхности соприкосновения тела со столом невелика, тело остается в покое. Силы и компенсируют друг друга. Но на тело действует еще одна сила, равная по модулю. Это и есть сила трения покоя. Главная особенность ее в том, что она по модулю равна приложенной к телу силе, но направлена противоположно. Только при некотором определенном значении силы тело сдвинется с места и начнет скользить. Эта определенная сила будет max, когда она станет хоть немного больше тело получит ускорение. Если на брусок положить груз и прижать рукой (т.е. увеличить силу), то max увеличится во столько раз, во сколько раз увеличится приложенная сила. Эту силу иногда называют силой нормального давления. По модулю она равна силе реакции опоры. Можно записать, что максимальная сила трения равна, где — коэффициент трения Следовательно: Максимальная сила трения покоя пропорциональна силе нормального давления. Сила трения покоя мешает начать движение, но иногда служит причиной начала движения. Например, при ходьбе сила трения покоя, действующая на подошву сообщает нам ускорение. Когда тело получает ускорение и начинает скользить по поверхности другого тела на него продолжает действовать сила трения. Однако это уже другая сила трения. Ее называют силой трения скольжения. По модулю она почти равна max, но направлена всегда в сторону, противоположную направлению движения. Эта самая важная особенность силы трения. Ее находят по формуле:, отсюда коэффициент трения. Коэффициент трения меньше единицы, он зависит из каких материалов сделаны оба тела и как обработаны из поверхности, но не зависит от площади соприкосновения их. Трения без смазки называют сухим трением. Смазка уменьшает силу трения. Сила жидкого трения много меньше силы сухого трения. Она зависит от направления движения, от значения скорости и формы. Лучшей считается обтекаемая форма. Сила трения уменьшает значение скорости тела и оно в конце концов останавливается. Тормозной путь пропорционален квадрату начальной скорости. Это нужно помнить машинисту. Если увеличить скорость поезда вдвое, то потребуется вчетверо больший путь до остановки.

Наряду со скоростью важной характеристикой движения является импульс тела — векторная величина, равная произведению массы тела на его скорость — mv. Согласно современной терминологии второй закон Ньютона гласит: Скорость изменения импульса материальной точки равна действующей на нее силы.

Импульс и энергия — особые величины. Они обладают свойством сохранения и играют важную роль в механике и во всех разделах физики.

Изменение импульса равно произведению силы на время ее действия.

Сохранение импульса неизменным возможно только в замкнутой системе, где нет взаимодействия с внешними телами. В незамкнутой системе импульс изменяется.

Важный пример проявления и практического применения закона сохранения импульса — это реактивное движение. В отличие от других транспортных средств ракета может двигаться, не взаимодействуя ни с какими другими телами, кроме продуктов сгорания, содержащегося в ней самой топлива.

В ньютоновской механике считается, что масса тела не зависит от его скорости. Однако это вовсе не означает, что всегда при движении тела его масса остается постоянной. Она может изменяться и примером движения тела переменной массы может служить полет ракеты на активном участке ее траектории. Продукты сгорания запасенного в ракете топлива выбрасываются через сопло двигателя, и масса ракеты уменьшается. Возникающая реактивная сила характеризует механическое воздействие на ракету, вытекающей из нее струи газа.

Колебания Колебания — очень распространенный вид механических движений. Примером механических колебаний являются колебания маятника. Маятником называется тяжелое тело, подвешенное на нити к одной точке. Отклоняя его от положения равновесия, мы сообщаем ему потенциальную энергию mgh. Если мы опустим маятник он падает по круговой орбите, радиус которой равен длине нити. Потенциальная энергия периодически переходит в кинетическую. Этим и обусловлены колебания маятника. Время полного колебания называется амплитудой колебания. При очень малых отклонениях период колебания не зависит от массы маятника и равен:

Колебания характеризуются также частотой — числом колебаний в единицу времени. Между периодом колебаний и его частотой существует связь.

Как и другие движения, колебательное движение характеризуется скоростью и ускорением. Обе эти величины изменяются от точки к точке, от одного момента к другому. В точках максимального отклонения от положения равновесия скорость равна нулю в этих точках тело останавливается, чтобы начать движение в обратном направлении. В точке равновесия скорость максимальна. В точках максимального отклонения ускорение максимальное, потому что сила упругости максимальна. В точке равновесия ускорение равно нулю, так как в этой точке сила равна нулю. Через каждый период Т модуль и направление векторов скорости и ускорение повторяются.

Пространство и время. Специальная теория относительности Пространство и время как всеобщие и необходимые формы бытия материи являются фундаментальными категориями в современной физике и других науках. Ньютоновская концепция пространства и времени оказалась господствующей вплоть до конца ХIХ в. Основные положения ее заключаются в следующем: Пространство считалось бесконечным, плоским, прямолинейным. Оно рассматривалось как абсолютное, пустое, однородное и изотропное (нет выделенных точек и направлений) и выступало в качестве вместилища материальных тел, как независимая инерциальная система.

Время понималось абсолютным, однородным, равномерным текущим. Оно идет сразу и везде во всей Вселенной, единообразно и синхронно и выступает как независимый от материальных объектов процесс длительности.

Абсолютное время и пространство служили основой для преобразований Галилея — Ньютона, посредством которых осуществлялся переход к инерциальным системам. До ХIХ в. физика была в основном физикой вещества, но изучение электродинамики, оптики выявило недостаточность одной классической механики для полного описания явлений природы. Специальная теория относительности, созданная в 1905 г. А. Эйнштейном, стала результатом обобщения и синтеза классической механики Галилея-Ньютона и электродинамики Максвелла-Лоренца.

Она описывает законы всех физических процессов при скоростях движения, близких к скорости света, но без учета поля тяготения. При уменьшении скоростей движения она сводится к классической механике, которая, таким образом оказывается ее частным случаем.

Для всех физических процессов скорость света обладает свойством бесконечной скорости, чтобы ее достичь требуется бесконечное количество энергии. Что осуществить невозможно. Скорость света является, предельной скоростью распространения материальных воздействий. Теория относительности Эйнштейна разрушила непрочные основы классических понятий пространства и времени. Она основывалась на двух постулатах.

Первый постулат — принцип относительности: все инерциальные системы отсчета эквивалентны друг другу в отношении постановки в них любых физических экспериментов.

Второй постулат — скорость света является постоянной во всех инерциальных системах отсчета и не зависит от движения источника и приемника, она одинакова во всех направлениях и равна 300 тыс. км/сек.

Выводы из положений специальной теории относительности:

Сокращение длины. Движение любого объекта влияет на измеренную величину его длины. Неподвижному наблюдателю длина космического корабля показалась бы короче на величину, зависящую от скорости корабля.

Замедление времени. В быстро движущемся космическом корабле время течет медленнее, чем в лаборатории неподвижного наблюдения. Эффект замедления времени касается буквально всего, включая процессы и даже биологические ритмы экипажа. Эффект замедления времени подтвержден многими экспериментами с космическими лучами.

Увеличение массы. Эйнштейн обнаружил еще одно следствие своей теории: масса тела зависит от скорости его движения чем ближе скорость тела к скорости света, тем больше становится его масса. При достижении телом скорости света, его масса возросла бы до бесконечности. Но достичь ее невозможно, так как требуется бесконечная энергия. В том же 1905 г. Эйнштейн установил связь между массой и энергией.

Масса тела есть мера содержащейся в нем энергии. Так, в науке появилось знаменитое соотношение:

Е=mc2, где Е-полная энергия тела; m-его масса покоя; с-скорость света; движение сила ньютон относительность Окружающий нас мир имеет три измерения. Но специальная теория относительности утверждает, что время нельзя рассматривать как нечто отдельное, неизменное. Немецкий математик Минковский высказал предположение, что три пространственные и одна временная размерность связаны между собой. Все события во Вселенной должны происходить в четырехмерном пространстве — времени. Эйнштейн быстро оценил преимущество такого описания для своей теории. Специальная теория относительности поистине произвела в революцию в нашем понимании пространства, времени, Вселенной. В отличие от пространства, в каждую точку которого можно снова и снова возвращаться — оно как бы обратимо, время — необратимо и одномерно. Оно течет из прошлого, через настоящее к будущему. Пространство — однородно и изотропно, а время однородно, эти свойства связаны с законами сохранения.

Заключение

Создатель теории относительности Эйнштейн, сформулировал обобщенный принцип относительности, который теперь распространяется и на электромагнитные явления, в том числе и на движение света.

Эффекты специальной теории относительности будут обнаруживаться при скоростях, близких к световым. При скоростях значительно меньших скорости света формулы этой теории переходят в формулы классической механики.

1. Григорьев В. И., Мякишев Г. Я. Силы в природе, Наука, 2010 г.

2. Детлаф А. А., Яворский Б. Н. Курс физики. Высшая школа. 2009 г.

3. Трофимова Т. И. Курс физики. 2009 г.