Взаимодействие тел. Опыт показывает, что при сближении тел (или систем тел) характер их поведения меняется. Поскольку эти изменения носят взаимный характер, говорят, что тела взаимодействуют друг с другом . При разведении тел на очень большие расстояния (на бесконечность) все известные на сегодняшний день взаимодействия исчезают.

Галлилей первым дал правильный ответ на вопрос, какое движение характерно для свободных (т.е. не взаимодействующих тел). Вопреки существующему тогда мнению, что свободные тела “стремятся” к состоянию покоя (), он утверждал, что при отсутствии взаимодействия тела находятся в состоянии равномерного движения (
), включающего покой как частный случай.

Инерциальные системы отсчета. В рамках формального математического подхода, реализуемого в кинематике, утверждение Галилея выглядит бессмысленным, поскольку равномерное в одной системе отсчета движение может оказаться ускоренным в другой, которая “ничем не хуже” исходной. Наличие взаимодействия позволяет выделить особый класс систем отсчета, в которых свободные тела движутся без ускорения (в этих системах большинство законов природы имеют наиболее простую форму). Такие системы называются инерциальными.

Все инерциальные системы эквивалентны друг другу, в любой из них законы механики проявляются одинаково. Это свойство было также отмечено Галилеем в сформулированном им принципе относительности: никаким механическим опытом в замкнутой (т.е. не сообщающейся с внешним миром) системе отсчета невозможно установить покоится ли она или равномерно движется. Любая система отсчета, равномерно движущаяся относительно инерциальной тоже является инерциальной.

Между инерциальными и неинерциальными системами отсчета существует принципиальное отличие: находящийся в замкнутой системе наблюдатель способен установить факт движения с ускорением последних, “не выглядывая наружу”(напр. при разгоне самолета пассажиры ощущают, что их “вдавливает” в кресла). В дальнейшем будет показано, что в неинерциальных системах геометрия пространства перестает быть евклидовой.

Законы Ньютона как основа классической механики. Сформулированные И.Ньютоном три закона движения в принципе позволяют решить основную задачу механики , т.е. по известным начальному положению и скорости тела определить его положение и скорость в произвольный момент времени.

Первый закон Ньютона постулирует существование инерциальных систем отсчета.

Второй закон Ньютона утверждает, что в инерциальных системах ускорение тела пропорционально приложенной силе , физической величине, являющейся количественной мерой взаимодействия. Величину силы, характеризующей взаимодействие тел, можно определить, например, по деформации упругого тела, дополнительно введенного в систему так, что взаимодействие с ним полностью компенсирует исходное. Коэффициент пропорциональности между силой и ускорением называют массой тела :

(1) F= ma

Под действием одинаковых сил тела с большей массой приобретают меньшие ускорения. Массивные тела при взаимодействии в меньшей степени меняют свои скорости, “стремясь сохранить естественное движение по инерции”. Иногда говорят, что масса является мерой инертности тел (рис. 4_1).

К классическим свойствам массы следует отнести 1) ее положительность (тела приобретают ускорения в направлении приложенных сил), 2) аддитивность (масса тела равна сумме масс его частей), 3) независимость массы от характера движения (напр. от скорости).

Третий закон утверждает, что взаимодействия оба объекта испытывают действия сил, причем эти силы равны по величине и противоположно направлены.

Типы фундаментальных взаимодействий. Попытки классификации взаимодействий привели к идее выделения минимального набора фундаментальных взаимодействий , при помощи которых можно объяснить все наблюдаемые явления. По мере развития естествознания этот набор менялся. В ходе экспериментальных исследований периодически обнаруживались новые явления природы, не укладывающиеся в принятый фундаментальный набор, что приводило к его расширению (например, открытие структуры ядра потребовало введения ядерных сил). Теоретические же осмысление, вцелом стремящееся к единому, максимально экономному описанию наблюдаемого многообразия, неоднократно приволило к “великим объединениям” внешне совершенно несхожих явлений природы (ньютон понял,что падение яблока и движение планет вокруг Солнца являются результатами проявления гравитационных взаимодействий, Эйнштейн установил единую природу электрических и магнитных взаимодействий, Бутлеров опроверг утверждения о различной природе органических и неорганических веществ).

В настоящее время принят набор из четырех типов фундаментальных взаимодействий :гравитационные, электромагнитные, сильное и слабые ядерные . Все остальные, известные на сегодняшний день, могут быть сведены к суперпозиции перечисленных.

Гравитационные взаимодействия обусловлены наличием у тел массы и являются самыми слабыми из фундаментального набора. Они доминируют на расстояниях космических масштабов (в мега-мире).

Электромагнитные взаимодействия обусловлены специфическим свойством ряда элементарных частиц, называемым электрическим зарядом. Играют доминирующую роль в макро мире и микромире вплоть на расстояниях, превосходящих характерные размеры атомных ядер.

Ядерные взаимодействия играют доминирующую роль в ядерных процессах и проявляются лишь на расстояниях, сравнимых с размером ядра, где классическое описание заведомо неприменимо.

В настоящее время стали весьма популярны рассуждения о биополе , при помощи которого “объясняется” ряд не очень надежно установленных на эксперименте явлений природы, связанных с биологическими объектами. Серьезное отношение к понятию биополя зависит от того, какой конкретный смысл. Вкладывается в этот термин. Если понятие биополя используется для описания взаимодействий с участием биологических объектов, сводящихся к четырем фундаментальным, такой подход не вызывает принципиальных возражений, хотя введение нового понятия для описания “старых” явлений противоречит общепринятой в естествознании тенденции к минимизации теоретического описания. Если же под биополем понимается новый тип фундаментальных взаимодействий, проявляющийся на макроскопическом уровне (возможности существования которого априорно, очевидно, отрицать бессмысленно), то для столь далеко идущих выводов необходимы очень серьезные теоретические и экспериментальные обоснования, сделанные на языке и методами современного естествознания, которые до настоящего времени представлены не были.

Законы Ньютона и основная задача механики. Для решения основной задачи механики (определение положения тела в произвольный момент времени по известным начальному положению и скорости) достаточно найти ускорение тела как функцию времени a (t). Эту задачу решают законы Ньютона (1) при условии известных сил. В общем случае силы могут зависеть от времени, положения и скорости тела:

(2) F=F (r,v, t) ,

т.е. для нахождения ускорения тела необходимо знать его положение и скорость. Описанная ситуация в математике носит название дифференциального уравнения второго порядка :

(3)
,

(4)

В математике показывается, что задача (3-4) при наличии двух начальных условий (положение и скорость в начальный момент времени) всегда имеет решение и притом единственное . Т.о. основная задача механики в принципе всегда имеет решение, однако найти его часто бывает весьма трудно.

Детерминизм Лапласа . Немецкий математик Лаплас применил аналогичную теорему о существовании и единственности решения задачи типа (3-4) для системы из конечного числа уравнений для описания движения всех взаимодействующих друг с другом частиц реального мира и пришел к выводу о принципиальной возможности расчета положения всех тел в любой момент времени. Очевидно, что это означало возможность однозначного предсказанная будущего (хотя бы в принципе) и полную детерменированность (предопределенность) нашего мира. Сделанное утверждение, носящее скорее философский, а не естественно научный характер, получило название детерминизма Лапласа . При желании из него можно было сделать весьма далеко идущие философские и социальные выводы о невозможности влиять на предопределенный ход событий. Ошибочность этого учения состояла в том, что атомы или элементарные частицы (“материальные точки”, из которых составлены реальные тела) на самом деле не подчиняются классическому закону движения (3), верному лишь для макроскопических объектов (т.е. обладающих достаточно большими массами и размерами). Правильное с точки зрения сегодняшней физики описание движения во времени микроскопических объектов, какими являются составляющие макроскопические тела атомы и молекулы, дается уравнениями квантовой механики, , позволяющими определить только вероятность нахождения частицы в заданной точке, но принципиально не дающего возможности расчета траекторий движения для последующих моментов времени.

План ответа

1. Взаимодействие тел.

2. Виды взаимодействия.

4. Силы в механике.

Простые наблюдения и опыты, например с тележками (рис. 1), приводят к следующим качественным

заключениям: а) тело, на ко­торое другие тела не действуют, со­храняет свою скорость неизмен­ной; б) ускорение тела возникает под действием других тел, но зави­сит и от самого тела;

в) действия тел друг на друга всегда носят ха­рактер взаимодействия.

Эти выво­ды подтверждаются при наблюде­нии явлений в природе, технике, космическом пространстве только в инерциальных системах отсчета.

Взаимодействия отличаются друг от друга и количественно, и качественно.

Например, ясно, что чем больше деформируется пружи­на, тем больше взаимодействие ее витков. Или чем ближе два одно­именных заряда, тем сильнее они будут притягиваться.

В простей­ших случаях взаимодействия количественной характеристикой является сила.

Сила - причина ускорения тел по отношению к инерциальной системе отсчета или их деформации.

Сила - это век­торная физическая величина, яв­ляющаяся мерой ускорения, при­обретаемого телами при взаимо­действии.

Сила характеризуется: а) модулем; б) точкой приложе­ния; в) направлением.

Единица силы - ньютон.

1 нью­тон - это сила, которая телу мас­сой 1 кг сообщает ускорение 1 м/с в направлении действия этой си­лы, если другие тела на него не действуют.

Равнодействующей не­скольких сил называют силу, дей­ствие которой эквивалентно дейст­вию тех сил, которые она заменя­ет. Равнодействующая является векторной суммой всех сил, прило­женных к телу.

R g = F g 1 + F g 2 + ... + F g n .

На основании опытных данных были сформулированы законы Нью­тона.

Второй закон Ньютона . Уско­рение, с которым движется тело, прямо пропорционально равнодей­ствующей всех сил, действующих на тело, обратно пропорционально его массе и направлено так же, как и равнодействующая сила:

а → = F → /т.

Для решения задач закон часто записывают в виде: F → =m a → .

Билет №13 Импульс тела. Закон сохра­нения импульса.

План ответа

1.Импульс тела.

2.Закон сохранения импульса.

3.Реактивное движение.

Покой и движе­ние относительны, скорость тела зависит от выбора системы отсче­та; по второму закону Ньютона не­зависимо от того, находилось ли тело в покое или двигалось, изме­нение скорости его движения мо­жет происходить только при дей­ствии силы, т. е. в результате взаи­модействия с другими телами. Существуют величины, ко­торые могут сохраняться при взаи­модействии тел. Такими величина­ми являются энергия и импульс .

Импульсом тела называют век­торную физическую величину, яв­ляющуюся количественной харак­теристикой поступательного движе­ния тел. Импульс обозначается р → .

Единица измерения импульса р → - кг м/с.

Импульс тела равен про­изведению массы тела на его ско­рость: р → = т υ → .

Направление векто­ра импульса р → совпадает с направ­лением вектора скорости тела υ → (рис. 1).

Для импульса тел выполняется закон сохранения, который спра­ведлив только для замкнутых фи­зических систем.

В механике замкну­той называют систему, на которую не действуют внешние силы или действие этих сил скомпенсирова­но.

В этом случае р → 1 = р → 2 , где р → 1 - начальный импульс системы, а р → 2 - конечный.

В случае двух тел, входящих в систему, это выраже­ние имеет вид т 1 υ → 1 + т 2 υ → 2 = m 1 υ → 1 " + m 2 υ → 2 " , где т 1 и т 2 - массы тел, а υ → 1 и υ → 2 - скорости до взаимодей­ствия, υ → 1 " и υ → 2 " - скорости после взаимодействия.

Эта формула закона сохранения им­пульса: импульс замкнутой физи­ческой системы сохраняется при любых взаимодействиях , происходящих внутри этой системы.

. В слу­чае незамкнутой системы импульс тел системы не сохраняется.

Одна­ко если в системе существует на­правление, по которому внешние силы не действуют или их дейст­вие скомпенсировано, то сохраня­ется проекция импульса на это на­правление.

Если время взаимодействия мало (выстрел, взрыв, удар), то за это время даже в случае незамкнутой системы внеш­ние силы незначительно изменяют импульсы взаимодействующих тел.

Экспериментальные исследова­ния взаимодействий различных тел - от планет и звезд до атомов и элементарных частиц - показа­ли, что в любой системе взаимо­действующих тел при отсутствии действия со стороны других тел, не входящих в систему, или равенст­ве нулю суммы действующих сил геометрическая сумма импульсов тел действительно остается неиз­менной.

В механике закон сохранения импульса и законы Ньютона связа­ны между собой.

Если на тело мас­сой т в течение времени t действует сила и скорость его движения изме­няется от υ → 0 до υ → ,то ускорение дви­жения а → тела равно а → = (υ → - υ → 0)/t .

На основании второго закона Ньютона

для силы F → можно записать F → = та → = т(υ → - υ → 0) / t, отсюда следует

F → t = mυ → - mυ → 0 .

F → t - векторная физическая ве­личина, характеризующая дейст­вие на тело силы за некоторый промежуток времени называется импульсом си­лы. Единица импульса в СИ - 1Н · с.

Закон сохранения импульса ле­жит в основе реактивного движе­ния.

Реактивное движение - это такое движение тела, которое воз­никает после отделения от тела его части.

Пример: тело массой т покоилось. От тела отделилась какая-то его часть т 1 со скоростью υ → 1 . Тогда ос­тавшаяся часть придет в движение в противоположную сторону со скоростью υ → 2 , масса оставшейся части т 2 . Действительно, сумма импульсов обеих частей тела до от­деления была равна нулю и после разделения будет равна нулю:

т 1 υ → 1 + m 2 υ → 2 =0, отсюда υ → 1 = -m 2 υ → 2 / m 1 .

К. Э. Циолковский разработал теорию полета те­ла переменной массы (ракеты) в однородном поле тяготения и рас­считал запасы топлива, необходи­мые для преодоления силы земно­го притяжения.

Техниче­ские идеи Циолковского находят применение при создании совре­менной ракетно-космической тех­ники. Движение с помощью реак­тивной струи по закону сохране­ния импульса лежит в основе гидрореактивного двигателя. В ос­нове движения многих морских моллюсков (осьминогов, медуз, кальмаров, каракатиц) также ле­жит реактивный принцип.

Билет № 17

Закон всемирного тяготе­ния. Сила тяжести. Вес тела. Не­весомость.

План ответа

1. Силы гравитации.

2. Закон всемирного тяготения.

3. Физический смысл гравитацион­ной постоянной.

4. Сила тяжести.

5. Вес тела, перегрузки.

6. Невесомость.

Исаак Ньютон выдвинул пред­положение, что между любыми те­лами в природе существуют силы взаимного притяжения.

Эти силы называют силами гравитации, или силами всемирного тяготе­ния. Сила всемирного тяготения проявляется в Космосе, Солнеч­ной системе и на Земле. Ньютон вывел формулу:

т 1 · т 2

F = G ----, где G - коэффициент пропорциональности, на­зывается гравитационной

R 2

Постоянной.

Закон всемирного тяготения: между любыми мате­риальными точками существует сила взаимного притяжения, пря­мо пропорциональная произведе­нию их масс и обратно пропор­циональная квадрату расстояния между ними, действующая по линии, соединяющей эти точки.

Физический смысл гравитаци­онной постоянной вытекает из за­кона всемирного тяготения.

Если т 1 = т 2 = 1 кг, R = 1 м, то G = F, т. е. гравитационная постоянная равна силе, с которой притяги­ваются два тела по 1 кг на рас­стоянии 1 м. Численное значение: G = 6,67 10 -11 Н м 2 /кг 2 . Силы всемирного тяготения действуют между любыми телами в природе, но ощутимыми они становятся при больших массах. Закон всемирного тяготения выполняет­ся только для материальных точек и шаров (в этом случае за расстоя­ние принимается расстояние меж­ду центрами шаров).

Частным видом силы всемирно­го тяготения является сила притя­жения тел к Земле (или к другой планете). Эту силу называют силой тяжести.

Под действием этой силы все тела приобретают ускорение свободного падения. В соответст­вии со вторым законом Ньютона g = F T /m, следовательно, F Т = тg.

Сила тяжести всегда направлена к центру Земли.

На поверхности Земли ускорение сво­бодного падения равно 9,831 м/с 2 .

Ве­сом тела называют силу, с которой тело давит на опору или подвес в результате гравитационного при­тяжения к планете (рис. 1).

Вес те­ла обозначается p → . Единица веса - 1 Н. Так как вес равен силе, с кото­рой тело действует на опору, то в соответствии с третьим законом Ньютона по величине вес тела ра­вен силе реакции опоры. Поэтому, чтобы найти вес тела, необходимо найти, чему равна сила реакции опоры.

Рис. 1 Рис. 2

Рассмотрим случай, когда тело вместе с опорой не движется. В этом случае сила реакции опоры и вес тела равен силе тяжести (рис. 2):

Р → = N → = тg → .

В случае движения тела верти­кально вверх вместе с опорой с ус­корением по второму закону Нью­тона можно записать тg → + N → = та → (рис. 3, а).

В проекции на ось ОХ:

-тg + N = та, отсюда

N = т(g + а).

При движении вертикально вверх с ускорением вес тела увеличивается и находит­ся по формуле Р = т(g + а).

Увеличение веса тела, вызван­ное ускоренным движением опоры или подвеса, называют перегруз­кой.

Действие перегрузки испы­тывают на себе космонавты, водители ав­томобилей при резком торможе­нии.

Если тело движется вниз по вер­тикали,

тg → + N → = та → ; тg - N = та; N = т(g - а); Р = т(g - а),

т. е. вес при движении по вертикали с ус­корением будет меньше силы тя­жести (рис. 3, б).

Если тело свободно падает, в этом случае Р = (g – g)m = 0

Состояние тела, в котором его вес равен нулю, называют неве­сомостью. Состояние невесомости наблюдается в самолете или кос­мическом корабле при движении с ускорением свободного падения независимо от направления и зна­чения скорости их движения.

Билет №24 Превращение энергии при механических колебаниях. Сво­бодные и вынужденные колеба­ния. Резонанс.

План ответа

1. Определение колебательного дви­жения.

2. Свободные колебания.

3. Превращения энергии.

4. Вынужденные колебания. Механическими колебаниями

называют движения тела, повто­ряющиеся точно или приблизи­тельно через одинаковые про­межутки времени. Основными характеристиками механических колебаний являются: смещение, амплитуда, частота, период. Сме­щение - это отклонение от поло­жения равновесия. Амплитуда - модуль максимального отклоне­ния от положения равновесия. Частота - число полных колеба­ний, совершаемых в единицу вре­мени. Период - время одного полного колебания, т. е. мини­мальный промежуток времени, че­рез который происходит повторе­ние процесса. Период и частота связаны соотношением: ν = 1/Т.

Простейший вид колебательно­го движения - гармонические ко­лебания, при которых колеблю­щаяся величина изменяется со временем по закону синуса или ко­синуса (рис. 1).

Свободными называют колеба­ния, которые совершаются за счет первоначально сообщенной энер­гии при последующем отсутствии внешних воздействий на систему, совершающую колебания. Напри­мер, колебания груза на нити (рис. 2).

Рис. 1 Рис. 2

Рассмотрим процесс превраще­ния энергии на примере колебаний груза на нити (см. рис. 2).

При отклонении маятника от положения равновесия он подни мается на высоту h относительно нулевого уровня, следовательно, в точке А маятник обладает потен­циальной энергией тgh. При дви­жении к положению равновесия, к точке 0, уменьшается высота до нуля, а скорость груза увеличива­ется, и в точке 0 вся потенциаль­ная энергия тgh превратится в ки­нетическую энергию тυ 2 /2. В по­ложении равновесия кинетическая энергия имеет максимальное зна­чение, а потенциальная энергия минимальна. После прохождения положения равновесия происходит превращение кинетической энер­гии в потенциальную, скорость ма­ятника уменьшается и при максимальном отклонении от положе­ния равновесия становится равной нулю. При колебательном движе­нии всегда происходят периоди­ческие превращения его кинетиче­ской и потенциальной энергии.

При свободных механических колебаниях неизбежно происходит потеря энергии на преодоление сил сопротивления. Если колебания происходят под действием перио­дической внешней силы, то такие колебания называют вынужден­ными . Например, родители раска­чивают ребенка на качелях, пор­шень движется в цилиндре двига­теля автомобиля, колеблются нож электробритвы и игла швейной машины. Характер вынужденных колебаний зависит от характера действия внешней силы, от ее ве­личины, направления, частоты действия и не зависит от размеров и свойств колеблющегося тела. На­пример, фундамент мотора, на ко­тором он закреплен, совершает вы­нужденные колебания с частотой, определяемой только числом обо­ротов мотора,- и не зависит от раз­меров фундамента.

При совпадении частоты внеш­ней силы и частоты собственных колебаний тела амплитуда вынуж­денных колебаний резко возраста­ет. Такое явление называют меха­ническим резонансом. Графически зависимость вынужденных коле­баний от частоты действия внеш­ней силы показана на рисунке 3.

Явление резонанса может быть причиной разрушения машин, зда­ний, мостов, если собственные их частоты совпадают с частотой пе­риодически действующей силы. Поэтому, например, двигатели в автомобилях устанавливают на специальных амортизаторах, а во­инским подразделениям при дви­жении по мосту запрещается идти «в ногу».

При отсутствии трения ампли­туда вынужденных колебаний при резонансе должна возрастать со временем неограниченно. В реаль­ных системах амплитуда в устано­вившемся режиме резонанса опре­деляется условием потерь энергии в течение периода и работы внеш­ней силы за то же время. Чем меньше трение, тем больнее ампли­туда при резонансе.

Билет №16

Конденсаторы. Электроем­кость конденсатора. Применение конденсаторов.

План ответа

1. Определение конденсатора.

2. Обозначение.

3. Электроемкость конденсатора.

4. Электроемкость плоского кон­денсатора.

5. Соединение конденсаторов.

6. Применение конденсаторов.

Для накопления значительных количеств разноименных электри­ческих зарядов применяются кон­денсаторы.

Конденсатор - это сис­тема двух проводников (обкладок), разделенных слоем диэлектрика, толщина которого мала по сравне­нию с размерами проводников.

Пример, две плоские метал­лические пластины, расположенные параллельно и разделенные диэлектриком, образуют плоский конденсатор.

Если пластинам плос­кого конденсатора сообщить рав­ные по модулю заряды противопо­ложного знака, то напряженность между пластинами будет в два раза больше, чем напряженность одной пластины. Вне пластин напряжен­ность равна нулю.

Обозначаются конденсаторы на схемах так:

Электроемкостью конденсато­ра называют величину, равную от­ношению величины заряда одной из пластин к напряжению между ними. Электроемкость обозначает­ся C.

По определению С = q/U. Еди­ницей электроемкости является фарад (Ф).

1 фарад - это электро­емкость такого конденсатора, на­пряжение между обкладками ко­торого равно 1 вольту при сообще­нии обкладкам разноименных зарядов по 1 кулону.

Электроемкость плоского кон­денсатора находится по формуле:

C = ε ε 0 - ,

где ε 0 - электрическая постоян­ная, ε - диэлектрическая посто­янная среды, S - площадь об­кладки конденсатора, d - рас­стояние между обкладками (или толщина диэлектрика).

Если конденсаторы соединяют­ся в батарею, то при параллельном соединении С O = С 1 + С 2 (рис.1). При последовательном соедине­нии

- = - + - (рис. 2).

C O C 1 C 2

В зависимости от типа диэлек­трика конденсаторы бывают воз­душные, бумажные, слюдяные.

Конденсаторы применяются для накопления электроэнергии и использования ее при быстром раз­ряде (фотовспышка), для разделе­ния цепей постоянного и перемен­ного тока, в выпрямителях, ко­лебательных контурах и других радиоэлектронных устройствах.

Билет №15

Работа и мощность в цепи постоянного тока. Электродвижу­щая сила. Закон Ома для полной цепи.

План ответа

1. Работа тока.

2. Закон Джоуля-Ленца.

3. Электродвижущая сила.

4. Закон Ома для полной цепи.

В электрическом поле из фор­мулы определения напряжения

U = А / q

то для расчета работы переноса электрического заряда

А = U q так как для тока заряд q = I t

то работа тока:

A = UIt или A = I 2 Rt = U 2 / R · t

Мощность по определению N = А / t следовательно, N = UI = I 2 R = U 2 /R

закон Джоуля-Ленца: При прохождении тока по проводнику количество теплоты, выделившейся в проводнике, прямо пропорционально квадра­ту силы тока, сопротивлению проводника и времени прохожде­ния тока, Q = I 2 Rt.

Полная замкнутая цепь пред­ставляет собой электрическую цепь, в состав которой входят внешние сопротивления и источ­ник тока (рис.1).

Как один из участков цепи, источник тока об­ладает сопротивлением, которое называют внутренним, r.

Для того чтобы ток проходил по замкнутой цепи, необходимо, что­бы в источнике тока зарядам сооб­щалась дополнительная энергия, она берется за счет работы по пере­мещению зарядов, которую про­изводят силы неэлектрического происхождения (сторонние силы) против сил электрического поля.

Источник тока характеризуется ЭДС - элек­тродвижущая сила источника.

ЭДС - характеристика источ­ника энергии неэлектрической природы в электрической цепи, необходимого для поддержания в ней электрического тока .

ЭДС из­меряется отношением работы сто­ронних сил по перемещению вдоль замкнутой цепи положительного заряда к этому заряду

Ɛ = A СТ / q.

Пусть за время t через попереч­ное сечение проводника пройдет электрический заряд q.

Тогда рабо­ту сторонних сил при перемещении заряда можно записать так: А СТ = Ɛ q .

Согласно определению силы тока q=I t,

А СТ = Ɛ I t

При совершении этой работы на внут­реннем и внешнем участках цепи, сопротивления которых R и r, выде­ляется некоторое количество тепло­ты.

По закону Джоуля-Ленца оно равно: Q = I 2 R t + I 2 r t

Согласно за­кону сохранения энергии А = Q . Следовательно, Ɛ = IR + Ir .

Произ­ведение силы тока на сопротивле­ние участка цепи часто называют падением напряжения на этом участке.

ЭДС равна сумме падений напряжений на внутреннем и внешнем участках замкнутой цепи. О

I = Ɛ / (R + r).

Эта зависимость называется законом Ома для полной цепи

сила тока в полной цепи прямо пропорциональна ЭДС источника тока и обратно про­порциональна полному сопротив­лению цепи .

При разомкнутой цепи ЭДС равна напряжению на зажи­мах источника и, следовательно, может быть измерена вольтметром.

Билет №12

Взаимодействие заряженных тел. Закон Кулона. Закон сохра­нения электрического заряда.

План ответа

1. Электрический заряд.

2. Взаимодействие заряженных тел.

3. Закон сохранения электрическо­го заряда.

4. Закон Кулона.

5. Диэлектрическая проницаемость.

6. Электрическая постоянная.

Законы взаимодействия атомов и молекул объяс­няются на основе строении атома, используя планетарную мо­дель его строения.

В центре атома находится положительно заряжен­ное ядро, вокруг которого враща­ются по определенным орбитам отрицательно заряженные части­цы.

Взаимодействие между за­ряженными частицами называет­ся электромагнитным.

Интенсив­ность электромагнитного взаимодействия определяется физиче­ской величиной - электрическим зарядом, который обозначается q.

Единица электрического заряда - кулон (Кл) .

1 кулон - это такой электрический заряд, который, проходя через поперечное сечение проводника за 1 с, создает в нем ток силой 1 А.

Способность элек­трических зарядов как к взаимно­му притяжению, так и к взаимно­му отталкиванию объясняется су­ществованием двух видов зарядов.

Один вид заряда называется положи­тельным , носителем элементарно­го положительного заряда являет­ся протон.

Другой вид заряда назвали отрицательным , его но­сителем является электрон. Эле­ментарный заряд равен е = 1,6 × 10 -19 Кл.

Электрический заряд не создается и не исчезает, а только переходит от одного тела к друго­му.

Этот факт называется зако­ном сохранения электрического заряда.

В приро­де не возникает и не исчезает электрический заряд одного зна­ка.

Появление и исчезновение электрических зарядов на телах в большинстве случаев объясняется переходами элементарных заря­женных частиц - электронов - от одних тел к другим.

Электризация - это сообщение телу электрического заряда.

Элек­тризация может происходить при соприкосновении (тре­нии) разнородных веществ и при облучении.

При электризации в теле возникает избыток или недос­таток электронов.

В случае избытка электронов тело приобретает отрицательный заряд, в случае недостатка - поло­жительный.

Основной закон электростати­ки был экспериментально установ­лен Шар­лем Кулоном:

мо­дуль силы взаимодействия двух точечных неподвижных электри­ческих зарядов в вакууме прямо пропорционален произведению ве­личин этих зарядов и обратно пропорционален квадрату расстоя­ния между ними.

F = k q 1 q 2 / r 2 ,

где q 1 и q 2 - модули зарядов, r - рас­стояние между ними, k - коэффи­циент пропорциональности, зави­сящий от выбора системы единиц, в СИ

k = 9 10 9 Н м 2 /Кл 2 .

Величина, показывающая, во сколько раз сила взаимодействия зарядов в вакууме больше, чем в среде, называется диэлектриче­ской проницаемостью среды ε.

Для среды с диэлектрической про­ницаемостью ε закон Кулона: F = k q 1 q 2 /(ε r 2).

Вместо коэффициента kчасто используется коэффициент, на­зываемый электрической посто­янной ε 0 .

Электрическая по­стоянная связана с коэффици­ентом kследующим образом:

k = 1/4πε 0 и численно равна ε 0 = 8.85 10 -12 Кл/Н м 2

С использованием электриче­ской постоянной закон Кулона име­ет вид:

1 q 1 q 2

F = --- ---

4 π ε 0 r 2

Взаимодействие неподвижных электрических зарядов называют электростатическим, или кулоновским, взаимодействием. Кулоновские силы можно изобразить гра­фически (рис. 1).

Кулоновская сила направлена вдоль прямой, соединяющей заря­женные тела. Она является силой притяжения при разных знаках зарядов и силой отталкивания при одинаковых знаках.

Вам уже известно, что тела, если бы на них не действовали другие тела, трение и сопротивление воздуха, постоянно бы двигались или находились в состоянии покоя.
Давайте проведем опыт.
Прикрепленную к тележке пластину согнем и перевяжем нитью. Если поджечь нить — пластина разогнется, но при этом тележка окажется на том же месте.
Повторим этот опыт с двумя одинаковыми тележками. К согнутой пластине приставим еще одну такую же тележку. После того, как перегорит нить и пластина выпрямится, тележки переместятся на некоторое расстояние друг от друга. При действии одного тела на другое их скорость изменилась.
Таким образом, тела меняют свою скорость только при взаимодействии, то есть при действии одного тела на другое.
Понаблюдайте за игрой в бильярд или керлинг. При действии одного тела на другое, то есть при их взаимодействии, скорость изменяется у обоих тел.
Вспомните известный мультфильм «Приключения капитана Врунгеля». С помощью бутылок с шампанским он смог продолжил свой путь на яхте «Беда». Во время взаимодействия пробки от шампанского и самой бутылки оба этих тела двигались в противоположные стороны, тем самым придавали яхте движение вперед.
Проведем еще один опыт с тележками. Теперь на одну из тележек поставим дополнительный груз. Понаблюдаем, как изменятся скорости тележек при таких условиях.
Многие из вас, используя свой жизненный опыт, уже догадались, что произойдет.
После того как перегорит нить, тележки переместятся на некоторое расстояние. Конечно, тележка с дополнительным грузом изменит свою скорость меньше, чем без груза. Сравнивая изменение скоростей после взаимодействия, можем судить об их массах: если скорость одной тележки в три раза больше, то ее масса, соответственно, будет меньше в три раза.
Рассмотрим примеры.
По дороге движутся два автомобиля с одинаковой скоростью. Один автомобиль грузовой, другой - легковой. Какому из них понадобиться больше времени для того, чтобы остановиться?
Очевидно, что больше времени для остановки понадобиться грузовому автомобилю.
Какую тележку тяжелее сдвинуть с места: пустую или полностью нагруженную? Тяжелее сдвинуть с места нагруженную тележку.
Сделаем вывод: тело большей массы более инертно, то есть дольше «пытается» сохранять свою скорость неизменной. Тело меньшей массы менее инертно, так как его скорость изменяется больше.
Таким образом, мерой инертности тел является масса тела.
Масса тела — это физическая величина, которая является мерой инертности тела.
Массу тела можно найти не только сравнивая изменение скоростей тел при их взаимодействии, но и путем взвешивания.
Массу обозначают буквой m «эм».
В международной системе единиц СИ за единицу массы принят один килограмм.
Килограмм — это масса эталона. Международный эталон килограмма хранится во Франции. В соответствии с эталоном изготовлено 40 точнейших копий, одна из которых хранится в России, а именно в Санкт-Петербурге в Институте метрологии.
Для измерения массы используют и другие единицы: тонна, грамм, миллиграмм.
1т=1000кг
1 кг=1 000г
1кг=1 000 000мг
1г=0,001кг
1 мг=0,000001кг
Массу тела можно определить при помощи весов. В жизни вам встречались различные виды весов:
-рычажные,
-пружинные,
-электронные.
Мы будем использовать лабораторные весы. Их еще называют рычажными весами. Принцип взвешивания на рычажных весах заключается в уравновешивании. На одну чашу весов помещают тело, массу которого необходимо узнать. На другую чашу весов помещают гири, масса которых нам известна.
В состоянии равновесия суммарная масса гирь будет равна массе взвешиваемого тела.
При взвешивании должны соблюдаться определенные правила:
1. Проверьте чаши весов перед началом взвешивания: они должны находиться в равновесии.
2. Взвешиваемое тело положите на левую чашу весов, а гири на правую.
3. Уравновесив обе чаши, подсчитайте общую массу гирь, которая вам понадобилась.
Запомните, что при взаимодействии двух тел их скорости изменяются. Скорость изменяется больше у того тела, масса которого меньше и наоборот. Измерив скорости, мы сможем вычислить массу тела. А также массу тела мы можем определить с помощью весов.

Как утверждает классическая физика, в известном нам мире постоянно происходит взаимодействие тел, частиц между собой. Даже если мы наблюдаем объекты, находящиеся в покое, это не означает, что ничего не происходит. Именно благодаря удерживающим силам между молекулами, атомами и элементарными частицами вы можете видеть предмет в виде доступной нам и понятной материи физического мира.

Взаимодействие тел в природе и жизни

Как мы знаем из собственного опыта, когда падаешь на что-то, бьёшься, с чем-то сталкиваешься, это оказывается неприятно и больно. Толкаете машину или в вас врезается зазевавшийся прохожий. Тем или иным образом вы вступаете во взаимодействие с окружающим миром. В физике данное явление получило определение "взаимодействие тел". Рассмотрим подробно, на какие виды подразделяет их современная классическая наука.

Виды взаимодействия тел

В природе существует четыре вида взаимодействия тел. Первое, всем известное, это гравитационное взаимодействие тел. Масса тел является определяющей в том, насколько сильна гравитация.

Она должна быть достаточно огромных масштабов, для того чтобы мы её смогли заметить. В противном случае наблюдение и регистрация данного вида взаимодействия достаточно затруднительны. Космос является тем местом, где силы гравитации вполне возможно наблюдать на примере космических тел с огромной массой.

Взаимозависимость между гравитацией и массой тела

Непосредственно энергия взаимодействия тел прямо пропорциональна массе и обратно пропорционально квадрату расстояния между ними. Это согласно определению современной науки.

Притяжение вас и всех предметов на нашей планете обусловлено тем, что существует сила взаимодействия двух тел, обладающих массой. Поэтому подкинутый вверх предмет притягивается назад к поверхности Земли. Планета достаточно массивна, поэтому сила действия ощутима. Гравитация вызывает взаимодействие тел. Масса тел даёт возможность её проявления и регистрации.

Природа гравитации не ясна

Природа этого явления на сегодня вызывает множество споров и предположений, кроме фактического наблюдения и видимой взаимосвязи между массой и притяжением, не выявлена сила, вызывающая гравитацию. Хотя на сегодня проходит ряд экспериментов, связанных с обнаружением гравитационных волн в космическом пространстве. Более точное предположение в своё время высказал Альберт Эйнштейн.

Он сформулировал гипотезу, что гравитационная сила является порождением искривления ткани пространства-времени расположенными в нем телами.

Впоследствии, при вытеснении пространства материей, оно стремится восстановить свой объем. Эйнштейн предположил, что существует обратно пропорциональная зависимость между силой и плотностью материи.

Примером наглядной демонстрации этой зависимости могут служить чёрные дыры, имеющие немыслимую плотность материи и гравитацию, способную притянуть не только космические тела, но и свет.

Именно благодаря влиянию природы гравитации сила взаимодействия тел обеспечивает существование планет, звёзд и прочих космических объектов. Кроме этого, вращение одних объектов вокруг других присутствует по этой же причине.

Электромагнитные силы и прогресс

Электромагнитное взаимодействие тел несколько напоминает гравитационное, но намного сильнее. Взаимодействие положительно и отрицательно заряженных частиц является причиной его существования. Собственно, это и вызывает возникновение электромагнитного поля.

Оно генерируется телом (телами) либо поглощается или вызывает взаимодействие заряженных тел. Этот процесс играет очень важную роль в биологической деятельности живой клетки и перераспределении веществ в ней.

Помимо этого, наглядным примером электромагнитного проявления сил является обычный электрический ток, магнитное поле планеты. Человечество достаточно обширно применяет эту силу для передачи данных. Это мобильная связь, телевидение, GPRS и многое другое.

В механике это проявляется в виде упругости, трения. Наглядный эксперимент, демонстрирующий наличие данной силы, всем известен из школьного курса физики. Это натирание шёлковой тканью эбонитовой полочки. Возникшие на поверхности частицы с отрицательным зарядом обеспечивают притяжение лёгких предметов. Повседневный пример - это расчёска и волосы. После нескольких движений пластмассой по волосам возникает притяжение между ними.

Стоит упомянуть о компасе и магнитном поле Земли. Стрелка намагничена и имеет концы с положительно и отрицательно заряженными частицами, как следствие, реагирует на магнитное поле планеты. Поворачивается своим "положительным" концом по направлению отрицательных частиц и наоборот.

Малы размеры, но огромна сила

Что касается сильного взаимодействия, то его специфика несколько напоминает электромагнитный вид сил. Причиной тому служит наличие положительных и отрицательно заряженных элементов. Подобно электромагнитной силе, наличие разноимённых зарядов приводит к взаимодействию тел. Масса тел и расстояние между ними очень малы. Это область субатомного мира, где подобные объекты именуются частицами.

Эти силы действуют в области атомного ядра и обеспечивают связь между протонами, электронами, барионами и прочими элементарными частицами. На фоне их размеров, по сравнению с большими объектами, взаимодействие заряженных тел значительно сильнее, чем при электромагнитном типе сил.

Слабые силы и радиоактивность

Слабый вид взаимодействия связан непосредственно с распадом неустойчивых частиц и сопровождается высвобождением разного вида излучения в виде альфа-, бета- и гамма-частиц. Как правило, вещества и материалы с подобными характеристиками называют радиоактивными.

Этот вид сил называется слабым вследствие того, что слабее электромагнитного и сильного типа взаимодействия. Однако он мощнее, чем гравитационное взаимодействие. Дистанции в данном процессе между частицами весьма малы, порядка 2·10 −18 метров.

Факт обнаружения силы и определения её в ряд фундаментальных произошёл достаточно недавно.

С открытием в 1896 году Анри Беккерель явления радиоактивности веществ, в частности солей урана, было положено начало изучения этого вида взаимодействия сил.

Четыре силы создали Вселенную

Вся Вселенная существует благодаря четырём фундаментальным силам, открытым современной наукой. Они породили космос, галактики, планеты, звезды и различные процессы в том виде, в каком мы это наблюдаем. На данном этапе считается полным определение фундаментальных сил в природе, но, возможно, со временем мы узнаем о наличии новых сил, и знание природы мироздания станет на шаг ближе к нам.

Взаимодействие тел. 2. Виды взаимодейст­вия. 3. Сила. 4. Силы в механике.

Простые наблюдения и опыты, например с те­лежками (рис. 3), приводят к следующим качествен­ным заключениям: а) тело, на которое другие тела не действуют, сохраняет свою скорость неизменной;

б) ускорение тела возникает под действием других тел, но зависит и от самого тела; в) действия тел друг на друга всегда носят характер взаимодействия. Эти выводы подтверждаются при наблюдении явлений в природе, технике, космическом пространстве только в инерциальных системах отсчета.

Взаимодействия отличаются друг от друга и количественно, и качественно. Например, ясно, что чем больше деформируется пружина, тем больше взаимодействие ее витков. Или, чем ближе два одно­именных заряда, тем сильнее они будут притяги­ваться. В простейших случаях взаимодействия коли­чественной характеристикой является сила. Сила - причина ускорения тел по отношению к инерциальной системе отсчета или их деформации. Сила - это

векторная физическая величина, являющаяся мерой ускорения, приобретаемого телами при взаимо­действии. Сила характеризуется: а) модулем; б) точ­кой приложения; в) направлением.

Единица измерения силы - ньютон. 1 нью­тон - это сила, которая телу массой 1 кг сообщает ускорение 1 м/с в направлении действия этой силы, если другие тела на него не действуют. Равнодей­ствующей нескольких сил называют силу, действие которой эквивалентно действию тех сил, которые она заменяет. Равнодействующая является векторной суммой всех сил, приложенных к телу.

R=F1+F2+...+Fn,.

Качественно по своим свойствам взаимодей­ствия также различны. Например, электрическое и магнитное взаимодействия связаны с наличием заря­дов у частиц либо с движением заряженных частиц. Наиболее просто рассчитать силы в электродинами­ке: сила Ампера - F = IlBsina , сила Лоренца - F = qv Bsin a ., кулоновская сила - F = q 1 q 2 / r 2 ; и гравитационные силы: закон всемирного тяготе­ния-F = Gm 1 m 2 / r 2 . Такие механические силы, как

сила упругости и сила трения, возникают в резуль­тате электромагнитного взаимодействия. Для их рас­чета необходимо использовать формулы: .Fynp = -kx (закон Гука), Fтр = MN - сила трения.

На основании опытных данных были сформу­лированы законы Ньютона. Второй закон Ньютона. Ускорение, с которым движется тело, прямо про­порционально равнодействующей всех сил, дей­ствующих на тело, обратно пропорционально его массе и направлено так же, как и равнодействую­щая сила: а = F / m .

Для решения задач закон часто записывают в виде: F = та.

Третий закон является обобщением и звучит так: Тела действуют друг на друга с силами рвными по модулю и противоположными по направлению.

Первый закон: существуют такие системы отсчета, относительно которых поступательно движущиеся тело сохраняет свою скорость постоянной, если на него не действуют другие тела (или действие других тел компенсирутся).