Физические характеристики идеальных объектов и представление

о способах их описания (масса; заряды и их действие на расстоянии;

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 W_c 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= Gm_p ·m_n /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 +…..+ Е_N = ∑^N_i=1 Е_i, 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.

Дата добавления: 2015-10-21