1. Пространство и время: понятия, свойства, процедуры количественного описания Понятия пространства и времени
| Вид материала | Документы |
- А. Закон инерции, 40.83kb.
- Постмодернизм план лекции: Трудность определения понятия «постмодернизм», 404.9kb.
- Воробьева Валентина Константиновна курс лекций, 273.12kb.
- Тема «Материя и движение, пространство и время» имеет важное значение для формирования, 258.39kb.
- Тема 1 основы системной концепции: понятия, сущность, атрибуты программная аннотация, 245.29kb.
- Отребляемые в настоящее время понятия образовательного нормотворчества и образовательных, 374.72kb.
- Анатолия Васильевича Мартынова, известного широкому кругу людей по книга, 5061.34kb.
- Обеспечение производства ЭВМ базовые понятия (сапр/астпп/саит), 710.17kb.
- Факультет электронной техники, пэ-04 курсоваяработ, 220.87kb.
- Линейное пространство, 700.44kb.
§1. Закон инерции (первый закон Ньютона). Инерциальные системы отсчета
Роль выбора СО в динамике. Модель свободной частицы.
Закон инерции (первый закон Ньютона). Инерциальные системы отсчета.
Принцип относительности Галилея.
Галилео Галилей (15641642). Итальянский физик, механик, астроном [12]
свобода в физике
Рис. 4.1. Вид мировой линии свободной частицы в двумерном мире событий
Роль выбора СО в динамике. Модель свободной частицы. С точки зрения кинематики все СО равноправны, т.е. выбор любой из них допустим для описания движения. Иначе обстоит дело в динамике - разделе механики, изучающем движение, основываясь на анализе его причин.
Результаты опытов показывают, что законы механики выглядят по-разному в зависимости от выбора СО. Попытаемся найти такой класс СО, в которых механическое движение выглядело бы одинаково.
Для рассмотрения влияния выбора СО на законы движения нужно фактически определить влияние конкретного способа движения СО на законы механики, что в свою очередь требует выявления законов, в том числе описывающих движение тела отсчета исходя из вызвавших его причин. Получается замкнутый круг. Для разрешения этого противоречия воспользуемся моделью свободной частицы.
Естественно предположить, что чем дальше частица находится от других материальных объектов, тем меньшее воздействие на нее оказывается. Назовем частицу, не подвергнутую внешним воздействиям и не изменяющую свои физические свойства, свободной. График движения такого физического объекта должен быть максимально простым. Из повседневного опыта известно, что простейшим видом движения частицы является перемещение вдоль прямой линии с постоянной скоростью, в том числе, равной нулю (что соответствует состоянию покоя). Графики такого движения приведены на рис. 4.1.
Экспериментально проверить предположение о характере движения свободной частицы невозможно, поскольку нельзя абсолютно достоверно установить факт отсутствия взаимодействия (взаимодействие отсутствует, если частица сохраняет состояние равномерного прямолинейного движения или покоя). Можно лишь с определенной степенью точности смоделировать данную ситуацию, используя экспериментальный факт уменьшения взаимодействия между макроскопическими телами при увеличении расстояния между ними.
Рис. 4.2. Иллюстрация первого закона Ньютона. Фрагмент игры в кёрлинг
Пример. На рис. 4.2 изображен фрагмент игры в кёрлинг. В случае малого трения, обеспечиваемого зачисткой поверхности льда специальными щетками, брошенный камень движется равномерно прямолинейно в течение достаточно длительного промежутка времени.
Галилей, изучая движение тел относительно Земли, пришел к выводу, что состояние покоя и равномерного прямолинейного движения тел эквивалентны и не требуют выявления причин такого состояния. Движение тел с постоянной скоростью без взаимодействия с другими телами называется движением по инерции.
Объяснять нужно причину изменения скорости, а не наличие самой скорости в выбранной СО. Неочевидность этого вывода заключается в наличии в реальных условиях эксперимента сил трения и сопротивления. В частности, при описании движения камня (см. рис. 4.2) кажется, что для поддержания его равномерного прямолинейного характера необходимо затратить определенные усилия (зачищать щетками лед). В действительности, зачистка льда необходима для уменьшения трения и соблюдения условия свободного движения.
Николай Коперник (1473 1543). Польский астроном [12]
Закон инерции (первый закон Ньютона). Инерциальные СО. Закон движения свободной частицы или закон инерции был развит и окончательно сформулирован Ньютоном. Первый закон Ньютона в его современной трактовке гласит:
существуют такие системы отсчета, в которых тело, не подвергнутое внешним воздействиям, движется равномерно прямолинейно или покоится.
Закон инерции (первый закон Ньютона) по сути является определением инерциальной системы отсчета (ИСО).
Системы отсчета, в которых выполняется закон
инерции, называются инерциальными.
Любую равномерно движущуюся частицу в ИСО можно принять за тело отсчета, относительно которого другие свободные частицы движутся также равномерно прямолинейно. Следовательно, если существует хотя бы одна ИСО, то существует также бесконечное множество других ИСО, связанных со свободно движущимися частицами. "Абсолютной" ИСО, имеющей какие-либо преимущества перед другими, не существует.
Понятие ИСО является физической моделью и применяется лишь в некотором приближении.
Траектории движения планет в гелиоцентрической СО
Пример. Геоцентрическая система, в которой тела движутся с дополнительным центростремительным ускорением, направленным к центру Земли, не является, строго говоря, инерциальной. Гелиоцентрическую систему (систему Коперника), связанную с Солнцем, можно считать инерциальной уже с большим приближением к истине, т.к. ее угловая скорость относительно центра масс Солнечной системы, обуславливающая наличие центростремительного ускорения, существенно меньше, чем скорость вращения Земли вокруг собственной оси.
Хотя существует бесконечное множество ИСО, есть принципиально иной класс СО, называемых неинерциальными. В них скорость частицы изменяется без воздействия на нее других тел или частиц. Пример. Пронаблюдаем с помощью телекамеры за камнем равномерно прямолинейно движущимся по льду (см. рис. 4.2). Если изображение на экране телевизора формируется камерой, движущейся вдоль ледяного поля с ускорением, то мы, глядя на экран, увидим, что скорость камня изменяется.
Принцип относительности Галилея. Принцип инерции позволяет выделить совокупность систем отсчета - ИСО, относительно которых сохраняет свою форму хотя бы один закон природы - закон, движения свободной частицы. Ньютон, развивая эту мысль, сформулировал один из важнейших принципов классической физики, названный впоследствии принципом относительности Галилея. Принцип относительности Галилея утверждает, что:
законы механики одинаковы во всех ИСО.
Из этого принципа следует, что все ИСО равноправны по отношению к законам механики. нельзя, используя законы механики, отличить движущуюся систему от покоящейся.