ЭБЗ Классическая физика (часть 1) - механика, термодинамика и молекулярная физика (1175272), страница 58

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 58)

Например, электромагнитные волны, испущенные источником, могут существовать и нести информациюи после того, как источник перестал их испускать. Нет абсолютно пустого пространства, оно заполнено полями.Поле действует на тело с определенными силами. Однако не имеет смысла говорить о механических силах, действующих на поля. Поэтому с точки зрения полевоговзаимодействия третий закон Ньютона может нарушаться: на тело действует сила, нонет силы противодействия, действующей на другое тело. Закон сохранения импульсаостается верным, так как импульсом могут обладать не только тела, но и поля.

Импульсполя переносится в пространстве соответствующими волнами. При взаимодействииэтих волн с телом (поглощение, излучение, отражение волн) изменяется импульс рассматриваемого тела.Примером проявления импульса электромагнитного поля может служить давлениесвета, существование которого впервые экспериментально доказал П. Н. Лебедев.Пусть тело A излучило кратковременный световой сигнал по направлению к телу В.Дойдя до тела B, свет поглощается, оказывая на него давление. Если тело В не закреплено, то оно начинает двигаться, его импульс меняется.

При этом выполняется законсохранения импульса, так как свет обладает импульсом, в точности равным тому, который приобретает тело В после поглощения света. Соответственно тело А, испускаясвет, должно испытывать отдачу, так как процесс излучения света также подчиняетсязакону сохранения импульса.В классической механике не приходится сталкиваться с явлениями, в которых проявляются импульсы полей. В этом разделе физики ограничиваются изучением толькотаких явлений, для которых третий закон Ньютона и закон сохранения импульса в ихстаром (ньютоновском) смысле выполняются.Законы Ньютона инвариантны по отношению к галилеевым преобразованиям координат. Связано это с тем, что во второй закон Ньютона входит ускорение, а не скорость движущегося тела.

Скорость тела в разных инерциальных системах различна, аускорение, масса и сила одинаковы, поэтому и второй закон-Ньютона инвариантен поотношению к инерциальным системам отсчета. Здесь проявляется роль ускорения, массы и силы как инвариантных величин в классической механике. В теории относительности эти величины уже не инвариантны!В связи с этим можно заметить, что физика должна формулировать законы природы так, чтобы эти законы не зависели от выбора исследователем системы координат.Физические законы должны быть инвариантными относительно тех или иных преобразований координат. Эти преобразования должны быть выражением каких-то фундаментальных свойств материального мира. Инвариантность – необходимое, хотя и не достаточное, условие истинности сформулированного физического закона.

Если закон инвариантен лишь по отношению к определенным преобразованиям, введенным как логическое обобщение опытных данных, то это указывает на определенные границы, насферу применимости этого закона. Так, например, законы Ньютона справедливы только в инерциальных системах отсчета.Можно на примере законов Ньютона остановиться также на правильном понимании характера закономерностей, установленных наукой в результате изучения окружающей нас реальной действительности. Абсолютность физических законов являетсяотносительной абсолютностью, так как действие этих законов всегда связано с точноопределенными условиями, в которых они проявляются, а если в ходе дальнейшегоразвития науки устанавливаются границы применимости данного закона, то открывается новый, более общий закон.Закон сохранения и превращения энергии выражает одну из характерных общихсторон, присущих всем формам движения, любым видам взаимодействий, и выполняется с абсолютной точностью.

Между тем, закон всемирного тяготения Ньютона относится лишь к определенной сфере материальных взаимодействий и даже в этой сферене является абсолютно точным. Более точно законы тяготения формулируются в общейтеории относительности.Законы сохраненияИзложение законов сохранения представляет собой наиболее благодатную почвудля философских обобщений. Развитие естествознания и прежде всего физики дает всеновые данные, подтверждающие незыблемость всеобщего закона сохранения и превращения материи и движения в форме конкретных законов сохранения и превращения.Законы сохранения тесно связаны со свойствами симметрии физических систем.При этом симметрия понимается как инвариантность физических законов относительнонекоторого преобразования входящих в него величин.

Согласно теореме Нетер наличиев системе симметрии приводит к тому, что для этой системы существует сохраняющаяся физическая величина.Особенно важное методологическое значение имеет связь между отдельными законами сохранения и фундаментальными свойствами пространства и времени. Можнопоказать, что закон сохранения механической энергии связан с однородностью времени, закон сохранения импульса – с однородностью пространства, закон сохранения момента импульса – с изотропностью пространства.Однородность времени проявляется в том, что законы движения замкнутой системы (или системы, находящейся в стационарном внешнем поле) не зависят явно от времени.

Иначе говоря, если в два различных момента времени все тела вышеуказаннойсистемы поставить в совершенно одинаковые условия, то начиная с этих моментов, всеявления в системе будут протекать совершенно одинаково. Например, при свободномпадении тела в стационарном поле силы тяжести у поверхности Земли, скорость тела ипройденный им путь зависят только от продолжительности свободного падения тела иот начальной скорости, а не от того, в какой конкретно момент времени тело началопадать.Однородность пространства проявляется в том, что физические свойства замкнутойсистемы и законы ее движения не зависят от выбора положения начала координатинерциальной системы отсчета. Если осуществить параллельный перенос в пространстве замкнутой системы как целого и поставить все тела системы в те же условия, в каких они находились до переноса, то в силу однородности пространства перенос системы никак не отразится на ходе всех последующих процессов в системе.Изотропность пространства означает, что физические свойства и законы движениязамкнутой системы не должны зависеть от выбора направления осей координат инерциальной системы отсчета.При изложении законов сохранения особое внимание следует уделять четкой формулировке необходимых и достаточных условий, при которых каждый из них имеетместо.

Механическая энергия в системе сохраняется, если внешние силы потенциальныи стационарны или не совершают работы, а внутренние – потенциальны. Такая системаназывается консервативной. Для сохранения импульса системы достаточно, чтобысумма внешних сил была равна нулю. Следует также сформулировать менее жесткиеусловия, при которых наблюдается сохранение проекции импульса на какое-либо направление, либо эту проекцию можно считать сохраняющейся приближенно.

Достаточное условие сохранения момента импульса системы – равенство нулю суммы моментов всех внешних сил.Неинерциальные системы отсчета и понятие о силахинерцииПри изложении данной темы студенты практически впервые знакомятся со сложностью определения понятий (являются ли силы инерции «реальными» или «фиктивными»), с философским положением о взаимосвязи явлений природы (принцип эквивалентности гравитационных сил и сил инерции).Изложение материала можно начать с того, что опыт показывает, что два основныхположения ньютоновской механики, согласно которым ускорение всегда вызываетсянекоторой силой, а сила всегда обусловлена взаимодействием между телами, не выполняются одновременно в системах отсчета, движущихся с ускорением.

Действительно,если рассмотреть, например, поведение груза, подвешенного на нити к потолку вагона,движущегося горизонтально и прямолинейно с заданным ускорением, то попытки наблюдателя, находящегося в вагоне, применить к грузу законы Ньютона, сразу же приводят к абсурду: векторная сумма сил, действующих на груз, не равна нулю, тогда какгруз относительно данного наблюдателя покоится. Подобные примеры показывают,что, строго говоря, для неинерциальных систем нужно было бы создавать какую-то новую механику. Но для того, чтобы этого не делать и иметь возможность пользоватьсявторым законом Ньютона, согласно которому ускорение всегда вызывается некоторойсилой, приходится в неинерциальных системах отсчета помимо «настоящих» сил, обу-словленных взаимодействием тел, вводить так называемые силы инерции.

Силы инерции не являются силами в ньютоновском понимании этого слова. Они возникают не изза взаимодействия тел, а из-за ускоренного движения системы отсчета. В нерелятивистской механике «настоящие» силы, то есть силы, возникающие в результате взаимодействия тел, не меняются при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой,произвольно движущейся инерциальной системе.

Они инвариантны относительно преобразований Галилея. Силы инерции меняются при переходе от одной ускоренной системы отсчета к другой. Они не инвариантны относительно такого перехода. Кроме того, в отличие от сил в ньютоновском понимании этого слова, силы инерции не подчиняются закону равенства действия и противодействия. Движение тел под действием силинерции аналогично движению во внешних силовых полях. Поэтому замкнутых системдля неинерциального наблюдателя не существует.

Характеристики

Список файлов лекций