Основные законы классической физики. Законы классической физики. Границы применимости законов классической механики

Квантовая криптография Теперь мы рассмотрим одно из наиболее курьезных и интригующих применений лазеров, квантовой оптики и квантовой механики: т. н. квантовую криптографию. Это одно из фантастических применений, которое стало возможным благодаря лазерам и законам

Физика современная и физика фундаментальная Прежде всего выясним суть новой физики, отличавшую ее от физики предыдущей. Ведь опыты и математика Галилея не выходили за пределы возможностей Архимеда, которого Галилей не зря называл «божественнейшим». В чем Галилей вышел

5. Квантовая ересь Тот, кого не потрясла квантовая теория, просто не понял ее. Нильс

26. Сингулярности и квантовая гравитация В «Интерстеллар» Купер и ТАРС ищут внутри Гаргантюа квантовые данные – данные, которые помогли бы профессору решить его уравнение и эвакуировать человечество с Земли. Они считают, что эти данные должны быть в сингулярности,

Глава 13. Квантовая реальность “Принстон - сумасшедший дом... Эйнштейн - совсем чокнутый”, - написал Роберт Оппенгеймер в январе 1935 года1. Тогда самому известному физику-теоретику, воспитанному Америкой, был тридцать один год. Через двенадцать лет, уже человеком,

Первый закон фотоэффекта можно объяснить с помощью классической физики, но второй и третий законы не находят в ней объяснения.

Дело в том, что согласно классической электродинамике энергия световой волны зависит только от ее амплитуды и не зависит от частоты. Поэтому невозможно объяснить установленный на опыте второй закон фотоэффекта, согласно которому максимальная кинетическая энергия вырванных электронов линейно возрастает при увеличении частоты падающего света. По той же причине не находит объяснения и третий закон фотоэффекта.

Отметим еще одну особенность фотоэффекта, также необъяснимую в рамках классической электродинамики, - это «безынерционность» фотоэффекта.

Опыт показывает, что фототок возникает сразу же при попадании света на электрод 1. Согласно же классической электродинамике для того, чтобы световая волна «раскачала» электрон, сообщив ему энергию, достаточную, чтобы он смог вырваться из металла, должно обязательно пройти некоторое время.

Квантовая физика. 2014

• Законы фотоэффекта
  Учебник по Физике для 11 класса -> Квантовая физика
• Вопросы и задания к параграфу § 25. Фотоэффект
  Учебник по Физике для 11 класса -> Квантовая физика
• 1. Законы фотоэффекта
  Учебник по Физике для 11 класса -> Квантовая физика
• Экспериментальное исследование фотоэффекта
  Учебник по Физике для 11 класса -> Квантовая физика
• Вопросы и задания к параграфу § 19. Природа света. Законы геометрической оптики
  Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
• 
  Иллюстрации по физике для 10 класса -> Механические колебания и волны
• Почему поезд трогается с места плавно?
  Иллюстрации по физике для 10 класса ->
• Почему при ударе возникают большие силы?
  Иллюстрации по физике для 10 класса -> Законы сохранения в механике
• 
  Иллюстрации по физике для 10 класса -> Динамика
• Почему движение молекул никогда не прекращается?
  Учебник по Физике для 10 класса -> Молекулярная физика и термодинамика
• Почему скрипки и гитары имеют продолговатую форму?
  Учебник по Физике для 10 класса -> Механика
• Глава 3. Законы сохранения в механике
  Учебник по Физике для 10 класса -> Механика
• Почему мы не ощущаем движения Земли?
  Учебник по Физике для 10 класса -> Механика
• Принцип соответствия
  Учебник по Физике для 10 класса ->
• Границы применимости физических законов и теорий
  Учебник по Физике для 10 класса -> Физика и научный метод познания
• Научный закон и научная теория
  Учебник по Физике для 10 класса -> Физика и научный метод познания
• Принцип соответствия Бора
  Учебник по Физике для 11 класса -> Квантовая физика
• 3. Соответствие между классической и квантовой механикой
  Учебник по Физике для 11 класса -> Квантовая физика
• Вероятность в классической физике
  Учебник по Физике для 11 класса -> Квантовая физика
• 3. Постулаты Бора
  Учебник по Физике для 11 класса -> Квантовая физика
• 3. Применение фотоэффекта
  Учебник по Физике для 11 класса -> Квантовая физика
• 2. Теория фотоэффекта
  Учебник по Физике для 11 класса -> Квантовая физика
• Поставим опыт к теме 1. Законы фотоэффекта
  Учебник по Физике для 11 класса -> Квантовая физика
• 3. Гипотеза Планка
  Учебник по Физике для 11 класса -> Квантовая физика
• 2. «Ультрафиолетовая катастрофа»
  Учебник по Физике для 11 класса -> Квантовая физика
• 
  Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
• Законы преломления света
  Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
• Законы отражения света
  Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
• Почему между проводниками с током есть только магнитное взаимодействие?
  Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
• Глава 2. Законы постоянного тока
  Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
• Почему электрическое поле действует на незаряженные предметы?
  Учебник по Физике для 11 класса -> Электродинамика
• Установка для исследования фотоэффекта
  Иллюстрации по физике для 11 класса -> Квантовая физика
• Демонстрация фотоэффекта
  Иллюстрации по физике для 11 класса -> Квантовая физика
• Почему небо голубое, а Солнце - желтоватое?
  Иллюстрации по физике для 11 класса -> Электродинамика
• Почему мыльные пузыри кажутся разноцветными?
  Иллюстрации по физике для 11 класса -> Электродинамика
• Как волновая теория объясняет законы отражения и преломления света?
  Иллюстрации по физике для 11 класса -> Электродинамика
• Законы преломления света
  Иллюстрации по физике для 11 класса -> Электродинамика
• Законы отражения света
  Иллюстрации по физике для 11 класса -> Электродинамика
• Природа света. Законы геометрической оптики
  Иллюстрации по физике для 11 класса -> Электродинамика
• Применение фотоэффекта
  Интересное о физике -> Энциклопедия по физике
• Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта
  Интересное о физике -> Энциклопедия по физике
• Теория фотоэффекта
  Интересное о физике -> Энциклопедия по физике
• Законы фотоэффекта
  Интересное о физике -> Энциклопедия по физике
• Законы преломления
  Интересное о физике -> Энциклопедия по физике
• Законы отражения
  Интересное о физике -> Энциклопедия по физике
• НЬЮТОН ИСААК
  Интересное о физике -> Рассказы об ученых по физике
• Отдача пушки
  Иллюстрации по физике для 10 класса -> Законы сохранения в механике
• Груз и тележка
  Иллюстрации по физике для 10 класса -> Законы сохранения в механике
• Перетягивание каната
  Иллюстрации по физике для 10 класса -> Законы сохранения в механике
• Столкновение одинаковых шаров
  Иллюстрации по физике для 10 класса -> Законы сохранения в механике

Определение 1

Механика - обширный раздел физики, исследующий законы изменения положений физических тел в пространстве и времени, а также постулаты, основанные на законах Ньютона.

Рисунок 1. Основной закон динамики. Автор24 - интернет-биржа студенческих работ

Зачастую данное научное направление физики называют «Ньютоновской механикой». Классическая механика на сегодняшний день подразделяется на такие разделы:

• статику - рассматривает и описывает равновесие тел;
• кинематику - изучает геометрические особенности движения без рассмотрения его причин;
• динамику – занимается исследованием движения материальных веществ.

Механическое движение представляет собой одну из простейших и вместе с тем наиболее распространенную форму существования живой материи. Поэтому классическая механика занимает исключительно значимое место в естествознании и считается главным подразделом физики.

Основные законы классической механики

Классическая механика в своих постулатах изучает движение рабочих тел, со скоростями, которые намного меньше скорости света. Согласно специальной гипотезе относительности, для движущихся на огромной скорости элементов не существует абсолютного пространства и времени. В результате характер взаимодействия веществ становится сложнее, в частности, их масса начинает зависеть от скорости движения. Все это стало объектом рассмотрения формул релятивистской механики, для которых константа световой скорости играет фундаментальную роль.

Классическая механика базируется на следующих основных законах.

1. Принцип относительности Галилея. Согласно данному принципу существует множество систем отсчёта, в которых любое свободное тело находится в состоянии покоя или движется с постоянной по направлению скоростью. Эти концепции в науке называются инерциальными, и осуществляю движение относительно друга прямолинейно и равномерно.
2. Три закона Ньютона. Первый устанавливает обязательное наличие свойства инертности у физических тел и постулирует наличие таких концепций отсчёта, в которых движение свободного вещества происходит с постоянной скоростью. Второй постулат вводит понятие силы как главной меры взаимодействия активных элементов и на основе теоретических фактов постулирует взаимосвязь между ускорением тела, его величиной и инертностью. Третий ньютоновский закон - для каждой действующей на первое тело силы существует противодействующий фактор, равный по величине и противоположный по направлению.
3. Закон сохранения внутренней энергии является следствием законов Ньютона для стабильных, замкнутых систем, в которых действуют исключительно консервативные силы. Полная механическая сила замкнутой системы материальных тел, между которыми действуют только тепловая энергия, остается постоянной.

Правила параллелограмма в механике

Из трех фундаментальных теорий движения тела Ньютона вытекают определенные следствия, одно из которых - сложение общего количества элементов по правилу параллелограмма. Согласно данной идее, ускорение любого физического вещества зависит от величин, в основном характеризующих действие иных тел, определяющих особенности самого процесса. Механическое действие на исследуемый объект со стороны внешней среды, которая кардинально изменяет скорость движения сразу нескольких элементов, называют силой. Она может иметь многогранную природу.

В классической механике, которая имеет дело со скоростями, значительно меньшими скорости света, масса считается одной из основных характеристик самого тела, не зависящей от того, движется оно или находится в состоянии покоя. Масса физического тела находится вне зависимости от взаимодействия вещества с другими частями системы.

Замечание 1

Таким образом, масса стала постепенно пониматься как количество живой материи.

Установление понятий массы и силы, а также метода их измерения позволило Ньютону описать и сформулировать второй закон классической механики . Итак, масса есть одна из ключевых характеристик материи, определяющая ее гравитационные и инертные свойства.

Первое и второе начало механики относятся соответственно к систематическому движению одного тела или материальной точки. При этом учитывается только действие других элементов в определенной концепции. Однако любое физическое действие есть взаимодействие.

Третий закон механики уже фиксирует данное утверждение и гласит: действию всегда соответствует противоположно направленное и равное противодействие. В формулировке Ньютона этот постулат механики справедлив лишь для случая непосредственной взаимосвязи сил или при внезапной передаче действия одного материального тела на другое. В случае перемещения за длительный промежуток времени третий закон применяется тогда, когда временем передачи действия возможно пренебречь.

Вообще все законы классической механики справедливы для функционирования инерциальных систем отсчета. В случае неинерциальных концепций ситуация совершенно иная. При ускоренном движении координат относительно самой инерциальной системы первый закон Ньютона невозможно использовать - свободные тела в ней будут менять свою скорость движения с течением времени и зависеть от скорости движения и энергии других веществ.

Границы применимости законов классической механики

Рисунок 3. Границы применимости законов классической механики. Автор24 - интернет-биржа студенческих работ

В результате достаточно стремительного развития физики в начале XX столетия сформировалась определенная сфера применения классической механики: ее законы и постулаты выполняются для движений физических тел, скорость которых значительно меньше скорости света. Было определено, что с ростом скорости масса любого вещества будет автоматически возрастать.

Несоответствие принципов в классической механике в основном исходило из того, что будущее в известном смысле полностью находится в настоящем – этим и определяется вероятность точного предвидения поведения системы в любой отрезок времени.

Замечание 2

Ньютоновский способ сразу стал главным инструментом познания сущности природы и всего живого на планете. Законы механики и методы математического анализа вскоре показали свою эффективность и значимость. Физический эксперимент, который базировался на измерительной технике, обеспечивал ученым небывалую ранее точность.

Физическое знание все в более значительной степени становилось центральной промышленной технологией, что стимулировало общее развитие других важных естественных наук.

В физике все изолированные ранее электричество, свет, магнетизм и теплота стали целыми и объединенными в электромагнитную гипотезу. И хотя сама природа тяготения оставалась так и неопределенной, ее действия возможно было рассчитать. Утвердилась и реализовалась концепция механистического детерминизма Лапласа, которая исходит из возможности точно определить поведение тел в любой момент времени, если изначально определены исходные условия.

Структура механики как науки казалась достаточно надежной и прочной, а также практически завершенной. В итоге сложилось впечатление, что знание физики и ее законов близко к своему финалу – столь мощную силу показал фундамент классической физики.

Введение

1.Законы Ньютона

1.1. Зако́н ине́рции (Первый закон Нью́тона)

1.2 Закон движения

1.3. Зако́н сохране́ния и́мпульса (Зако́н сохране́ния коли́чества движения)

1.4. Силы инерции

1.5. Закон вязкости

2.1. Законы термодинамики

1. 
   Закон Всемирного тяготения

3.2. Гравитационное взаимодействие

3.3. Небесная механика

1. 
   Сильные гравитационные поля

3.5. Современные классические теории гравитации

Заключение

Литература

Введение

Фундаментальные законы физики описывают важнейшие явления в природе и Вселенной. Они позволяют объяснить и даже предсказать многие явления. Так, опираясь только на фундаментальные законы классической физики (законы Ньютона, законы термодинамики и т.д.) человечество успешно осваивает космос, отправляет космические аппараты на другие планеты.

Я хочу рассмотреть в данной работе наиболее важные законы физики и их взаимосвязь. Наиболее важными законами классической механики являются законы Ньютона, которых достаточно, чтобы описать явления в макромире (без учёта высоких значений скорости или массы, что изучается в ОТО – Общей теории Относительности, или СТО – специальной теории относительности.)

1. 
   Законы Ньютона

Законы механики Ньютона - три закона, лежащие в основе т. н. классической механики. Сформулированы И. Ньютоном (1687). Первый закон: “Всякое тело продолжает удерживаться в своём состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние”. Второй закон: “Изменение количества движения пропорционально приложенной движущей силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует”. Третий закон: “Действию всегда есть равное и противоположное противодействие, иначе, взаимодействия двух тел друг на друга между собой равны и направлены в противоположные стороны”.

1.1. Зако ́ н ине ́ рции (Первый закон Нью ́ тона) : свободное тело, на которое не действуют силы со стороны других тел, находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения (понятие скорости здесь применяется к центру масс тела в случае непоступательного движения). Иными словами, телам свойственна ине́рция (от лат. inertia - “бездеятельность”, “косность”), то есть явление сохранения скорости, если внешние воздействия на них скомпенсированы.

Системы отсчёта, в которых выполняется закон инерции, называются инерциальными системами отсчёта (ИСО).

Впервые закон инерции был сформулирован Галилео Галилеем, который после множества опытов заключил, что для движения свободного тела с постоянной скоростью не нужно какой-либо внешней причины. До этого общепринятой была иная точка зрения (восходящая к Аристотелю): свободное тело находится в состоянии покоя, а для движения с постоянной скоростью необходимо приложение постоянной силы.

Впоследствии Ньютон сформулировал закон инерции в качестве первого из трёх своих знаменитых законов.

Принцип относительности Галилея: во всех инерциальных системах отсчета все физические процессы протекают одинаково. В системе отсчета, приведенной в состояние покоя или равномерного прямолинейного движения относительно инерциальной системы отсчета (условно - “покоящейся”) все процессы протекают точно так же, как и в покоящейся системе.

Следует отметить что понятие инерциальной системы отсчета - абстрактная модель (некий идеальный объект рассматриваемый вместо реального объекта. Примерами абстрактной модели служат абсолютно твердое тело или невесомая нить), реальные системы отсчета всегда связаны с каким-либо объектом и соответствие реально наблюдаемого движения тел в таких системах с результатами расчетов будет неполным.

1.2 Закон движения - математическая формулировка того, как движется тело или как происходит движение более общего вида.

В классической механике материальной точки закон движения представляет собой три зависимости трёх пространственных координат от времени, либо зависимость одной векторной величины (радиус-вектора) от времени, вида

Закон движения может быть найден, в зависимости от задачи, либо из дифференциальных законов механики, либо из интегральных.

Закон сохранения энергии - основной закон природы, заключающийся в том, что энергия замкнутой системы сохраняется во времени. Другими словами, энергия не может возникнуть из ничего и не может в никуда исчезнуть, она может только переходить из одной формы в другую.

Закон сохранения энергии встречается в различных разделах физики и проявляется в сохранении различных видов энергии. Например, в классической механике закон проявляется в сохранении механической энергии (суммы потенциальной и кинетической энергий). В термодинамике закон сохранения энергии называется первым началом термодинамики и говорит о сохранении энергии в сумме с тепловой энергией.

Поскольку закон сохранения энергии относится не к конкретным величинам и явлениям, а отражает общую, применимую везде и всегда, закономерность, то правильнее называть его не законом, а принципом сохранения энергии.

Частный случай - Закон сохранения механической энергии - механическая энергия консервативной механической системы сохраняется во времени. Проще говоря, при отсутствии сил типа трения (диссипативных сил) механическая энергия не возникает из ничего и не может никуда исчезнуть.

Ек1+Еп1=Ек2+Еп2

Закон сохранения энергии - это интегральный закон. Это значит, что он складывается из действия дифференциальных законов и является свойством их совокупного действия. Например, иногда говорят, что невозможность создать вечный двигатель обусловлена законом сохранения энергии. Но это не так. На самом деле, в каждом проекте вечного двигателя срабатывает один из дифференциальных законов и именно он делает двигатель неработоспособным. Закон сохранения энергии просто обобщает этот факт.

Согласно теореме Нётер, закон сохранения механической энергии является следствием однородности времени.

1.3. Зако ́ н сохране ́ ния и ́ мпульса (Зако ́ н сохране ́ ния коли ́ чества движения) утверждает, что сумма импульсов всех тел (или частиц) замкнутой системы есть величина постоянная.

Из законов Ньютона можно показать, что при движении в пустом пространстве импульс сохраняется во времени, а при наличии взаимодействия скорость его изменения определяется суммой приложенных сил. В классической механике закон сохранения импульса обычно выводится как следствие законов Ньютона. Однако этот закон сохранения верен и в случаях, когда ньютоновская механика неприменима (релятивистская физика, квантовая механика).

Как и любой из законов сохранения, закон сохранения импульса описывает одну из фундаментальных симметрий, - однородность пространства

Третий закон Ньютона объясняет, что происходит с двумя взаимодействующими телами. Возьмём для примера замкнутую систему, состоящую из двух тел. Первое тело может действовать на второе с некоторой силой F12, а второе - на первое с силой F21. Как соотносятся силы? Третий закон Ньютона утверждает: сила действия равна по модулю и противоположна по направлению силе противодействия. Подчеркнём, что эти силы приложены к разным телам, а потому вовсе не компенсируются.

Сам закон:

Тела действуют друг на друга с силами, направленными вдоль одной и той же прямой, равными по модулю и противоположными по направлению: .

1.4. Силы инерции

Законы Ньютона, строго говоря, справедливы только в инерциальных системах отсчета. Если мы честно запишем уравнение движения тела в неинерциальной системе отсчета, то оно будет по виду отличаться от второго закона Ньютона. Однако часто, для упрощения рассмотрения, вводят некую фиктивную “силу инерции”, и тогда эти уравнения движения переписываются в виде, очень похожем на второй закон Ньютона. Математически здесь всё корректно (правильно), но с точки зрения физики новую фиктивную силу нельзя рассматривать как нечто реальное, как результат некоторого реального взаимодействия. Ещё раз подчеркнём: “сила инерции” - это лишь удобная параметризация того, как отличаются законы движения в инерциальной и неинерциальной системах отсчета.

1.5. Закон вязкости

Закон вязкости (внутреннего трения) Ньютона - математическое выражение, связывающее напряжение внутреннего трения τ (вязкость) и изменение скорости среды v в пространстве

(скорость деформации) для текучих тел (жидкостей и газов):

где величина η называется коэффициентом внутреннего трения или динамическим коэффициентом вязкости (единица СГС - пуаз). Кинематическим коэффициентом вязкости называется величина μ = η / ρ (единица СГС - Стокс, ρ − плотность среды).

Закон Ньютона может быть получен аналитически приемами физической кинетики, где вязкость рассматривается обычно одновременно с теплопроводностью и соответсвующим законом Фурье для теплопроводности. В кинетической теории газов коэффициент внутреннего трения вычисляется по формуле

где - средняя скорость теплового движения молекул, λ − средняя длина свободного пробега.

2.1. Законы термодинамики

Термодинамика основывается на трёх законах, которые сформулированы на основе экспериментальных данных и поэтому могут быть приняты как постулаты.

* 1-й закон термодинамики. Представляет собой формулировку обобщённого закона сохранения энергии для термодинамических процессов. В наиболее простой форме его можно записать как δQ = δA + d"U, где dU есть полный дифференциал внутренней энергии системы, а δQ и δA есть элементарное количество теплоты и элементарная работа, совершенная над системой соответственно. Нужно учитывать, что δA и δQ нельзя считать дифференциалами в обычном смысле этого понятия. С точки зрения квантовых представлений этот закон можно интерпретировать следующим образом: dU есть изменение энергии данной квантовой системы, δA есть изменение энергии системы, обусловленное изменением заселённости энергетических уровней системы, а δQ есть изменение энергии квантовой системы, обусловленное изменением структуры энергетических уровней.

* 2-й закон термодинамики: Второй закон термодинамики исключает возможность создания вечного двигателя второго рода. Имеется несколько различных, но в тоже время эквивалентных формулировок этого закона. 1 - Постулат Клаузиуса. Процесс, при котором не происходит других изменений, кроме передачи теплоты от горячего тела к холодному, является необратимым, то есть теплота не может перейти от холодного тела к горячему без каких либо других изменений в системе. Это явление называют рассеиванием или дисперсией энергии. 2 - Постулат Кельвина. Процесс, при котором работа переходит в теплоту без каких либо других изменений в системе, является необратимым, то есть невозможно превратить в работу всю теплоту, взятую от источника с однородной температурой, не проводя других изменений в системе.

* 3-й закон термодинамики: Теорема Нернста: Энтропия любой системы при абсолютном нуле температуры всегда может быть принята равной нулю

3.1. Закон всемирного тяготения

Гравита́ция (всеми́рное тяготе́ние, тяготе́ние) (от лат. gravitas - “тяжесть”) - дальнодействующее фундаментальное взаимодействие в природе, которому подвержены все материальные тела. По современным данным, является универсальным взаимодействием в том смысле, что, в отличие от любых других сил, всем без исключения телам независимо от их массы придаёт одинаковое ускорение. Главным образом гравитация играет определяющую роль в космических масштабах. Термин гравитация используется также как название раздела физики, изучающего гравитационное взаимодействие. Наиболее успешной современной физической теорией в классической физике, описывающей гравитацию, является общая теория относительности, квантовая теория гравитационного взаимодействия пока не построена.

3.2. Гравитационное взаимодействие

Гравитационное взаимодействие - одно из четырёх фундаментальных взаимодействий в нашем мире. В рамках классической механики, гравитационное взаимодействие описывается законом всемирного тяготения Ньютона, который гласит, что сила гравитационного притяжения между двумя материальными точками массы m1 и m2, разделёнными расстоянием R, есть

Здесь G - гравитационная постоянная, равная м³/(кг с²). Знак минус означает, что сила, действующая на тело, всегда равна по направлению радиус-вектору, направленному на тело, т. е. гравитационное взаимодействие приводит всегда к притяжению любых тел.

Поле тяжести потенциально. Это значит, что можно ввести потенциальную энергию гравитационного притяжения пары тел, и эта энергия не изменится после перемещения тел по замкнутому контуру. Потенциальность поля тяжести влечёт за собой закон сохранения суммы кинетической и потенциальной энергии и при изучении движения тел в поле тяжести часто существенно упрощает решение. В рамках ньютоновской механики гравитационное взаимодействие является дальнодействующим. Это означает, что как бы массивное тело ни двигалось, в любой точке пространства гравитационный потенциал зависит только от положения тела в данный момент времени.

Большие космические объекты - планеты, звезды и галактики имеют огромную массу и, следовательно, создают значительные гравитационные поля. Гравитация - слабейшее взаимодействие. Однако, поскольку оно действует на любых расстояниях и все массы положительны, это тем не менее очень важная сила во Вселенной. Для сравнения: полный электрический заряд этих тел ноль, так как вещество в целом электрически нейтрально. Также гравитация, в отличие от других взаимодействий, универсальна в действии на всю материю и энергию. Не обнаружены объекты, у которых вообще отсутствовало бы гравитационное взаимодействие.

Из-за глобального характера гравитация ответственна и за такие крупномасштабные эффекты, как структура галактик, черные дыры и расширение Вселенной, и за элементарные астрономические явления - орбиты планет, и за простое притяжение к поверхности Земли и падения тел.

Гравитация была первым взаимодействием, описанным математической теорией. В античные времена Аристотель считал, что объекты с разной массой падают с разной скоростью. Только много позже Галилео Галилей экспериментально определил, что это не так - если сопротивление воздуха устраняется, все тела ускоряются одинаково. Закон всеобщего тяготения Исаака Ньютона (1687) хорошо описывал общее поведение гравитации. В 1915 году Альберт Эйнштейн создал Общую теорию относительности, более точно описывающую гравитацию в терминах геометрии пространства-времени.

3.3. Небесная механика и некоторые её задачи

Раздел механики, изучающий движение тел в пустом пространстве только под действием гравитации называется небесной механикой.

Наиболее простой задачей небесной механики является гравитационное взаимодействие двух тел в пустом пространстве. Эта задача решается аналитически до конца; результат её решения часто формулируют в виде трёх законов Кеплера.

При увеличении количества взаимодействующих тел задача резко усложняется. Так, уже знаменитая задача трёх тел (то есть движение трёх тел с ненулевыми массами) не может быть решена аналитически в общем виде. При численном же решении, достаточно быстро наступает неустойчивость решений относительно начальных условий. В применении к Солнечной системе, эта неустойчивость не позволяет предсказать движение планет на масштабах, превышающих сотню миллионов лет.

В некоторых частных случаях удаётся найти приближённое решение. Наиболее важным является случай, когда масса одного тела существенно больше массы других тел (примеры: солнечная система и динамика колец Сатурна). В этом случае в первом приближении можно считать, что лёгкие тела не взаимодействуют друг с другом и движутся по кеплеровым траекториям вокруг массивного тела. Взаимодействия же между ними можно учитывать в рамках теории возмущений, и усреднять по времени. При этом могут возникать нетривиальные явления, такие как резонансы, аттракторы, хаотичность и т. д. Наглядный пример таких явлений - нетривиальная структурa колец Сатурна.

Несмотря на попытки описать поведение системы из большого числа притягивающихся тел примерно одинаковой массы, сделать этого не удаётся из-за явления динамического хаоса.

3.4. Сильные гравитационные поля

В сильных гравитационных полях, при движении с релятивистскими скоростями, начинают проявляться эффекты общей теории относительности:

Отклонение закона тяготения от ньютоновского;

Запаздывание потенциалов, связанное с конечной скоростью распространения гравитационных возмущений; появление гравитационных волн;

Эффекты нелинейности: гравитационные волны имеют свойство взаимодействовать друг с другом, поэтому принцип суперпозиции волн в сильных полях уже не выполняется;

Изменение геометрии пространства-времени;

Возникновение черных дыр;

3.5. Современные классические теории гравитации

В связи с тем, что квантовые эффекты гравитации чрезвычайно малы даже в самых экстремальных экспериментальных и наблюдательных условиях, до сих пор не существует их надёжных наблюдений. Теоретические оценки показывают, что в подавляющем большинстве случаев можно ограничиться классическим описанием гравитационного взаимодействия.

Существует современная каноническая классическая теория гравитации - общая теория относительности, и множество уточняющих её гипотез и теорий различной степени разработанности, конкурирующих между собой (см. статью Альтернативные теории гравитации). Все эти теории дают очень похожие предсказания в рамках того приближения, в котором в настоящее время осуществляются экспериментальные тесты. Далее описаны несколько основных, наиболее хорошо разработанных или известных теорий гравитации.

Теория гравитации Ньютона основана на понятии силы тяготения, которая является дальнодействующей силой: она действует мгновенно на любом расстоянии. Этот мгновенный характер действия несовместим с полевой парадигмой современной физики и, в частности, со специальной теорией относительности, созданной в 1905 году Эйнштейном, вдохновлённым работами Пуанкаре и Лоренца. В теории Эйнштейна никакая информация не может распространиться быстрее скорости света в вакууме.

Математически сила гравитации Ньютона выводится из потенциальной энергии тела в гравитационном поле. Потенциал гравитации, соответствующий этой потенциальной энергии, подчиняется уравнению Пуассона, которое не инвариантно при преобразованиях Лоренца. Причина неинвариантности заключается в том, что энергия в специальной теории относительности не является скалярной величиной, а переходит во временну́ю компоненту 4-вектора. Векторная же теория гравитации оказывается аналогичной теории электромагнитного поля Максвелла и приводит к отрицательной энергии гравитационных волн, что связано с характером взаимодействия: одноимённые заряды (массы) в гравитации притягиваются, а не отталкиваются, как в электромагнетизме. Таким образом, теория гравитации Ньютона несовместима с фундаментальным принципом специальной теории относительности - инвариантностью законов природы в любой инерциальной системе отсчёта, а прямое векторное обобщение теории Ньютона, впервые предложенное Пуанкаре в 1905 году в его работе “О динамике электрона”, приводит к физически неудовлетворительным результатам.

Эйнштейн начал поиск теории гравитации, которая была бы совместима с принципом инвариантности законов природы относительно любой системы отсчёта. Результатом этого поиска явилась общая теория относительности, основанная на принципе тождественности гравитационной и инертной массы.

Принцип равенства гравитационной и инертной масс

В классической механике Ньютона существует два понятия массы: первое относится ко второму закону Ньютона, а второе - к закону всемирного тяготения. Первая масса - инертная (или инерционная) - есть отношение негравитационной силы, действующей на тело, к его ускорению. Вторая масса - гравитационная (или, как её иногда называют, тяжёлая) - определяет силу притяжения тела другими телами и его собственную силу притяжения. Вообще говоря, эти две массы измеряются, как видно из описания, в различных экспериментах, поэтому совершенно не обязаны быть пропорциональными друг другу. Их строгая пропорциональность позволяет говорить о единой массе тела как в негравитационных, так и в гравитационных взаимодействиях. Подходящим выбором единиц можно сделать эти массы равными друг другу.

Сам принцип был выдвинут ещё Исааком Ньютоном, а равенство масс было проверено им экспериментально с относительной точностью 10−3. В конце XIX века более тонкие эксперименты провёл Этвёш, доведя точность проверки принципа до 10−9. В течение XX века экспериментальная техника позволила подтвердить равенство масс с относительной точностью 10−12-10−13 (Брагинский, Дикке и т. д.).

Иногда принцип равенства гравитационной и инертной масс называют слабым принципом эквивалентности. Альберт Эйнштейн положил его в основу общей теории относительности.

Принцип движения по геодезическим линиям

Если гравитационная масса точно равна инерционной, то в выражении для ускорения тела, на которое действуют лишь гравитационные силы, обе массы сокращаются. Поэтому ускорение тела, а следовательно, и его траектория не зависит от массы и внутреннего строения тела. Если же все тела в одной и той же точке пространства получают одинаковое ускорение, то это ускорение можно связать не со свойствами тел, а со свойствами самого пространства в этой точке.

Таким образом, описание гравитационного взаимодействия между телами можно свести к описанию пространства-времени, в котором двигаются тела. Естественно предположить, как это и сделал Эйнштейн, что тела двигаются по инерции, то есть так, что их ускорение в собственной системе отсчёта равно нулю. Траектории тел тогда будут геодезическими линиями, теория которых была разработана математиками ещё в XIX веке.

Сами геодезические линии можно найти, если задать в пространстве-времени аналог расстояния между двумя событиями, называемый по традиции интервалом или мировой функцией. Интервал в трёхмерном пространстве и одномерном времени (иными словами, в четырёхмерном пространстве-времени) задаётся 10 независимыми компонентами метрического тензора. Эти 10 чисел образуют метрику пространства. Она определяет “расстояние” между двумя бесконечно близкими точками пространства-времени в различных направлениях. Геодезические линии, соответствующие мировым линиям физических тел, скорость которых меньше скорости света, оказываются линиями наибольшего собственного времени, то есть времени, измеряемого часами, жёстко скреплёнными с телом, следующим по этой траектории.

Современные эксперименты подтверждают движение тел по геодезическим линиям с той же точностью, как и равенство гравитационной и инертной масс.

Заключение

Из законов Ньютона сразу же следуют некоторые интересные выводы. Так, третий закон Ньютона говорит, что, как бы тела ни взаимодействовали, они не могут изменить свой суммарный импульс: возникает закон сохранения импульса. Далее, надо потребовать, чтобы потенциал взаимодействия двух тел зависел только от модуля разности координат этих тел U(|r1-r2|). Тогда возникает закон сохранения суммарной механической энергии взаимодействующих тел:

Законы Ньютона являются основными законами механики. Из них могут быть выведены все остальные законы механики.

В то же время, Законы Ньютона - не самый глубокий уровень формулирования классической механики. В рамках лагранжевой механики имеется одна-единственная формула (запись механического действия) и один-единственный постулат (тела движутся так, чтобы действие было минимальным), и из этого можно вывести все законы Ньютона. Более того, в рамках лагранжева формализма можно легко рассмотреть гипотетические ситуации, в которых действие имеет какой-либо другой вид. При этом уравнения движения станут уже непохожими на законы Ньютона, но сама классическая механика будет по-прежнему применима…

Решение уравнений движения

Уравнение F = ma (то есть второй закон Ньютона) является дифференциальным уравнением: ускорение есть вторая производная от координаты по времени. Это значит, что эволюцию механической системы во времени можно однозначно определить, если задать её начальные координаты и начальные скорости. Заметим, что если бы уравнения, описывающие наш мир, были бы уравнениями первого порядка, то из нашего мира исчезли бы такие явления, как инерция, колебания, волны.

Изучение Фундаментальных законов физики подтверждает, что наука поступательно развивается: каждый этап, каждый открытый закон является этапом в развитии, но не даёт окончательных ответов на все вопросы.

Литература:

1. 
   Большая Советская Энциклопедия (Ньютона Законы механики и др. статьи), 1977, “Советская Энциклопедия”
2. 
   Онлайн-энциклопедия www.wikipedia.com

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО Рыбинская государственная авиационная академия им. П.А.Соловьёва

Кафедра “Общей и технической физики”

РЕФЕРАТ

Тема: “Фундаментальные законы физики”

Группа ЗКС-07

Преподаватель: Василюк О.В.

Актуальность закона чрезвычайно велика в сфере человеческих взаимоотношений, но корни его, по-видимому, заложены глубже, в самом основании нашего мира. Простые, известные со времен античности принципы рычага, клина, полиспаста позволяют теоретически бесконечно увеличивать силу человеческих рук, силу удара, усилие на шкиве мотора. Предложение «перевернуть земной шар», если найдется подходящая точка опоры, не было хвастовством или безумной фантазией Архимеда. Единственное, что забыл подсчитать великий изобретатель - с какой (космической) скоростью он должен бежать, надавливая на плечо рычага, и сколько миллионов лет он должен затратить на это занятие, чтобы сдвинуть Землю на минимально заметную величину. Вероятно, только действие закона платы позволило биосфере в течение миллиардов лет сохранять важнейшие параметры в допустимых границах. В противном случае какая-нибудь амеба могла бы представить себя Архимедом и сделать с Землей что-то непоправимое. Каждой вылазке разрушающего Ян немедленно, без всякой задержки, оказывает противодействие - в том или ином виде - сохраняющее Инь. Время и пространство (расстояние) - обычная валюта в этой торговле.
Согласно закону всемирного тяготения сила притяжения F двух масс mi и т2, оплачивается второй степенью расстояния R между их центрами тяжести: F = ym^/R2, где у - гравитационная постоянная. Зависимость дополнительного типа становится более очевидной, если переписать уравнение в виде: FR2 = у тгт2. Если величины взаимодействующих масс не меняются, то увеличение силы притяжения должно оплачиваться уменьшением расстояния, а увеличение расстояния - уменьшением силы. Вторая дополнительная пара составлена из двух взаимодействующих масс. Если мы задались целью оставить неизменными силу и расстояние, то изменение массы будет оплачено противоположным изменением второй массы. Аналогична взаимная «ответственность» величин, если речь идет о кулоновском взаимодействии электрических зарядов: FR2 = Kqtq2, где к - коэффициент пропорциональности.
В недрах Солнца и подобных ему звезд произведение давления на квадрат расстояния от центра - величина постоянная: PR2 = N, что опять приводит к зависимости дополнительного типа.
Расстояние, тоже в квадрате, до источника света противостоит как дополнительная переменная величине освещенности Е плоской поверхности: ER2 = 1 cosa, где 1 - сила света, a - угол между нормалью к поверхности и направлением распространения волны.
Вторая степень показателя удаленности - естественное следствие геометрии евклидова пространства. Рассеяние энергии в пространстве снижает напряженность энергетического поля, но в то же время покрывает большую поверхность. Поверхность растет как площадь сегмента поверхности шара, то есть пропорционально второй степени расстояния.
Еще примеры дополнительности физических величин.
Если задаться постоянством расстояния между пунктами А и В, то основное уравнение движения: S = vt ставит в положение обратно зависимых величин скорость у и время t.
Масса обратна ускорению, когда к разным телам прикладывается одна и та же сила: F == та.
Формула кинетической энергии Е демонстрирует дополнительные отношения между движущейся массой m и скоростью v: 2Е = mv2. Пара явно неравноправна, скорость входит в нее с показателем степени 2, что, впрочем, не нарушает сам принцип обратной зависимости. Но для конструктора артиллерийских орудий это не безразлично. Ясно, что наращивать бронебойную силу снаряда выгоднее путем увеличения Анальной скорости, чем за счет утяжеления снаряда.
Тройка переменных: сила тока I, сопротивление R и напряжение в Цепи V (закон Ома) при постоянном напряжении обнаруживает отношение дополнительности между первой и второй величинами: V = IR.
Уравнение состояния идеального газа (уравнение Клапейрона - Менделеева) связывает между собой, как и в случае с гравитацией, сразу две дополнительных пары: pV = m/p RT. Здесь р - давление газа, V - объем, m/р - количество газа, выраженное в молярных единицах, Т - температура, R - газовая постоянная. При адиабатическом процессе масса газа предполагается постоянной и теплообмена со средой не происходит, но все три свободные переменные, объем, давление и температура меняются. Нагретый летним солнцем воздух поднимается, теряя температуру и давление, но объем его при этом растет. В опытах можно поддерживать температуру постоянной (изотермический процесс), тогда по закону Бойля-Мариотта объем и давление становятся дополнительными величинами. Мы можем также задать условие неизменности объема и давления, тогда в обратных отношениях окажутся количество и температура газа. Эта зависимость, однако, не вызвала большого интереса у физиков и не получила собственного названия.
Мы уже упоминали, что «неживая» природа дает примеры не только парной, но и множественной дополнительности, речь шла о потенциалной энергии. Вот аналогичный случай. Когда электрический заряд движется в магнитном поле, его траектория отклоняется силой Лоренца F в плоскости, перпендикулярной движению заряда и индукции магнитного поля, следуя правилу: F = qvB. Переменные в правой части уравнения последовательно обозначают заряд, скорость и магнитную индукцию, три взаимно-допонительных величины.
Можно и дальше умножать примеры отношений дополнительности, проявляющих себя в механике твердых тел, жидкостей и газов, в термодинамике, электродинамике, оптике и других разделах физики. Похоже, для принципа дополнительности нет границ в «неживом» мире.
Все это было бы прекрасно, если бы мы заранее не объявили, что в дополнительных отношениях находятся величины, одна из которых в чем- то мужская, другая в чем-то женская. Для третьей уже места как-будто не находится. Конечно, для писателей-фантастов не составляет труда придумать семью с тремя, пятью родителями: папа, дада, нана,... мама. Между папой и мамой помещается целый ряд промежуточных существ с промежуточными свойствами. Оказывается, фантасты не открывают здесь ничего необычного. Реальные предметы, системы, способны выстраиваться в «очередь» по степени проявления в них свойств подвижности и консервативности.
Общее правило состоит в том, что при большинстве взаимодействий можно обнаружить активное, действующее начало, с наибольшим основанием претендующее на место мужского Ян и пассивное, инертное или даже противодействующее в духе женского Инь. Там, где во взаимодействии участвуют параметры силы, скорости, ускорения, электрического заряда, силы тока, температуры, давления, они ведут свое происхождение от причины всякого движения - энергии, осуществляют функцию действия. Противостоящие им переменные - расстояние, масса, электрическое сопротивление, объем - сами причиной движения не являются, наоборот, они отражают процессы торможения и рассеяния энергии в пространстве и во времени. Осуществляют функцию антидействия.
Сложнее обстоит дело, когда приходится расшифровывать примеры множественной дополнительности, как в примере с магнитной индукцией. Переменные образуют треугольник: заряд - скорость заряда - величина индукции. Наиболее энергетическим «углом» следует считать величину заряда, определяющую напряжение электрического поля. Магнитная индукция - пассивное начало, проявляющее себя не раньше, чем в магнитном поле появится движущееся электрическое поле. Это инертный «угол» троицы. Параметр скорости вместе с зарядом противостоит индукции как энергетический фактор. Но в паре с количеством переносимого электричества скорость, комплексная величина, составленная из расстояния и времени, несомненно, приобретает черты инертного начала. Из чего непосредственно следует важный вывод: Ян и Инь - не являются свойствами, раз и навсегда «записанными» за физическими переменными. Их позиции определяются только в паре, в сравнении. В одном сочетании свойство может выполнять функцию пассивного начала, в другом - активного.
Запомним: в отношения дополнительности могут вступать не только крайние члены ряда от чистого, стопроцентного Ян к чистому Инь, но и промежуточные обладатели обоих свойств. При этом их может быть больше двух под крышей одной и той же константы.
В таком случае как решить проблему разделения переменных, если это две качественно тождественные величины, как масса одна и масса Другая, заряд первый и заряд второй?
Когда взаимодействуют массы, не равные но величине, то появляется база для рассуждений. Оба тела испытывают действие сил, Равных по величине и противоположных по направлению. Но ускорение физического тела зависит не только от силы (прямо пропорционально), но и от массы тела (обратно пропорционально). Поэтому массивное тело и Маленькая песчинка отреагируют на притяжение по-разному: смещение большой массы может остаться незаметным, тогда как малая масса
просто «упадет» на своего партнера. Мы привыкли рассматривать Луну как спутник Земли, не наоборот. Тем более это относится к Земле и орбитальной станции, хотя теоретически оба тела обращаются вокруг общего центра тяжести. Напрашивается решение: присвоить марку Инь более крупному, более инертному телу. Также и в том случае, если действующая сила имеет электрическую или магнитную природу. Электрон, как более легкий и более подвижный компонент атома, определенно может претендовать на позицию мужского Ян рядом с протоном - Инь, хотя положительный и отрицательный электрический заряды в «чистом виде» равны по своей «активности». Аналогично, по соотношению масс, делятся функции частиц при взаимном отталкивании (электрон - катион).
Но если взаимодействуют два электрона, то, по определению, их массы равны между собой, так что и по признаку «массивности» их разделить нельзя. Здесь мы вынуждены сделать еще один существенный вывод: противопоставление инертного начала Инь и активного начала Ян имеет количественную природу. При полной качественной и количественной идентичности взаимодействующих переменных они становятся взаимозаменяемыми, продолжая выполнять функции двух чашек весов. В философском плане это может соответствовать достижению состояния полного равновесия, Ба Гуа в канонах китайской мудрости, или Саттве - в Индии.