yavor1 (553178), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Число этих примеров, естественно, можно было бы умножить. 2. Однако из правильного заключения о том, что взаимодействие тел приводит к изменению скорости их движения, некоторые 24 мыслители древности, например Аристотель, сделали ложное заключение о том, что само движение тел есть результат их взаимодействия с другими телами.
Одна из причин, которая привела их к такому неверному выводу, заключалась в том, что они считали Землю абсолютно неподвижным центром Вселенной. Вследствие этого они считали покой относи ~ельно Земли естественным состоянием тел, а движение — временным, вынужденным состоянием, являюшимся результатом дейст. вия внешних сил. Правда, при этом возникали и определенные трудности, например при объяснении движения брошенного камня или стрелы, вылетевшей из лука: ведь здесь нет тел, которые бы все время подталкивали камень или стрелу! И вот, для объяснения этих явлений античные ученые предлагали различные произвольные гипотезы, лишь бы сохранить свое основное предположение о вынужденной природе движения.
3. В конце ХЧ1 в. две задачи выдвинули вновь проблему движения. Прежде всего, с развитием артиллерии нужно было найти законы движения снарядов. Затем, в связи с возникновением гелиоцентрической системы Коперника, стало ясно, что Земля является не центром Вселенной, а рядовой планетой, обращающейся наряду с другими планетами вокруг Солнца. Отсюда неизбежно вьпекал вывод, что планеты (а значит, и другие тела) движутся сами по себе, ибо совершенно невероятно, чтобы Землю и другие планеты что-то все время подталкивало в течение миллиардов лет. Кроме того, нужно было объяснить, почему мы не чувствуем вращения Земли, а также почему, оторвавшись ог Земли, например подпрыгнув, мы опускаемся в ту же точку Земли.
Первое правильное, хотя и неполное решение проблемы движения было дано Галилеем в начале ХЧП в. И лишь 50 лет спустя Ньютон смог найти четкую формулировку трех основных законов движения, что явилось основой для создания классической механики. 4. Для правильного решения проблемы движения следовало прежде всего огвлечься от всяких внешних воздействий и сформулн. ровать проблему так: что произойдет с телом, если оно перестанет взаимодействовать с другими телами? Здесь на помощь должен прийти мысленный эксперимент, идея которого и была выдвинута Галилеем. Действительно, во всяком реальном эксперименте на Земле мы не можем освободить тело от действия силы тяжести н силы трения. Однако можно поставить вопрос так: а что произойдет, если мы зти силы, хотя бы и мысленно, станем постепенно уменьшать? Допустим, что тележка движется по песку — тогда она быстро остановится. А вот на горизонтальном куске стекла она будет двигаться значительно дольше, хотя н здесь в конце концов останови~ся.
А если стекло станет абсолютно гладким? Очевидно, тележка не остановится, а будет сама по себе двигаться неограниченно долго. Вот эта-то идея мысленного эксперимента над телом, которое свободно от всяких внешних воздействий, и позволила Галилею прийти к идее инерциального движения тела. И хотя сам Галилей и ошибался, считая, что по инерции тело может не только двигаться равномерно и прямолинейно, но и равномерно двигаться по окружности (последнее неверно!), его идея позволила Ньютону правильно сформулировать закон инерции: Если данное тело не взаимодействует с окружаюи1ими телами, то скорость его движения не меняется ни по величине, ни по направлению, т.
е. оно движется прямолинейно и равномерно. Этот закон называют также первым законом Ньютона. Инерцнальное движение есть движение по кратчайшему расстоянию, ибо в свободном пространстве кратчайшим расстоянием между двумя точками является прямая линия. Если же мы говорим о том, что некое тело покоится, то это не абсолютный покой, а покой лишь в данной системе отсчета, которая сама движется относительно других тел. 5. Именно благодаря инерции, подпрыгнув вверх в движущемся вагоне, мы опускаемся в то же самое место.
Действительно, находясь на полу равномерно движущегося вагона, мы имеем с ним одинаковую скорость. Подпрыгнув вертикально вверх, мы сохраняем горизонтальную скорость неизменной, ибо в этом направлении на нас ничто не действует. А потому, пройдя по горизонтали одинаковый с вагоном путь, мы возвращаемся в ту же точку, от которой мы отделились в момент прыжка. Буквально то же самое можно сказать и относительно нашего движения совместно с Землей. Влагодаря инерции движутся брошенные тела. Действительно, в момент броска мы сообщаем камню некоторую скорость.
И если бы камень не испытывал сопротивления воздуха и притяжения Земли, он двигался бы, сохраняя эту скорость неизменной по величине и направлению. Взаимодействие же камня с воздухом и Землей приводит к замедлению его движения и искривлению траектории и в конечном счете к его остановке. й 2.2.
Инерциальные системы отсчета 1. Формулировка принципа инерции, предложенная в предыдущем параграфе, не может быть признана полной. Действительно, там идет речь о движении тела, но ничего не сказано о той системе отсчета, в которой совершается движение. Между тем нам известно, что говорить о форме траектории, а также о скорости можно лишь относительно некоторой системы отсчета, так как, например, траектория, прямолинейная в одной системе отсчета, может оказаться криволинейной в другой системе. Поэтому необходимо видоизменить формулировку принципа инерции, введя явные указания на характер системы отсчета, относительно которой данное движение рассматривается. Принцип инерции более точно формулируется так: 26 Существуют системы отсчета, относительно которых все тела, не взаимодействуюилие с другими телами, дв жутся прямолинейно и равномерно.
Системы отсчета, удовлетворяющие этому принципу, называются инерииальмыми системами. 2. Понятие инерциальной системы отсчета является абстракцией, реализуемой на практике лишь с некоторой степенью приближения. Действительно, всякая система отсчета связана с какими-то телами, а все тела в природе в той или иной степени взаимодействуют друг с другом. Поэтому невозможно указать строго инерциальные системы отсчета; можно лишь указать системы, которые для данного круга рассматриваемых вопросов могут считаться инерциальными. Естественно, что вопрос о том, является ли данная система отсчета инерциальной, может быть решен только экспериментально.
Практика показала, что в первом приближении можно считать систему отсчета, связанную с Землей, инерциальной системой. А именно, существует целый круг явлений, на ход которых вращение Земли не влияет. Эта система отсчета называется геоцентрической (от греческого де — Земля). Так, вращение Земли практически не влияет на работу всевозможных механизмов и машин, на движение различных видов транспорта.
Оно не влияет на ход тепловых, химических и ядерных реакций, а также на электромагнитные процессы, происходящие в генераторах, электродвигателях, трансформаторах, радиопередатчиках и приемниках; оно не влияет на распространение электромагнитных воли, на световые и звуковые явления. Следовательно, при описании всех этих физических процессов можно с большой степенью точности считать геоцентрическую систему отсчета инерциальной. 3.
Вместе стем существует и ряд явлений, вызванных вращением Земли вокруг своей оси и движением Земли вокруг Солнца. Поскольку оба эти движения не являются прямолинейными и равномерными, то они вызывают эффекты, невозможные в инерциальиых системах отсчета. Так, наблюдая ночью за небосводом, мы заметим, что вся система звезд вращается вокруг оси, проходящей через Полярную звезду н центр Земли.
С точки зрения геоцентрической системы отсчета здесь следует найти какой-то механизм взаимодействия между Землей и всеми звездами, позволяющий объяснить причину искривления их траекторий. Далее, планеты совершают довольно сложные движения по небосводу. Двигаясь в некотором направлении, планета вдруг останавливается, затем перемещается назад и, описав петлю, начинает двигаться в первоначальном направлении. Многочисленные попытки объяснить наблюдаемое движение небесных светил в геоцентрической системе отсчета, предпринятые Аристотелем, Птоломеем и другими исследователями, оказались несостоятельными.
Правильную теорию движения небесных тел дали Коперник, Галилей и Кеплер, связав систему отсчета не с Землей, а с Солнцем. Эта система отсчета называется гелиоцентрической (от греческого Ье!)оз — Солнце). Она является в значительной степени более инерциальной, чем геоцентрическая система отсчета.
й 2.3. Принцип относительности !. Инерциальных систем (с той степенью приближения, которая указана выше) имеется бесчисленное множество. Любая система отсчета, которая движется прямолинейно и равномерно относительно некоторой инерциальнои системы, тоже является инерциальной. Действительно, пусть в некоторой системе отсчета тело движется по инерции. Следовательно, его скорость не меняется ни по величине, ни по направлению. В другой системе отсчета, которая движется относительно первой прямолинейно и равномерно, наше тело будет иметь другую скорость, но опять-таки постоянную по величине и направлению. Следовательно, вторая система отсчета в такой же мере инерциальна, как и первая.
Так, системы отсчета, связанные с вагоном нли судном, движущимся равномерно и прямолинейно относительно Земли, будут в такой же мере инерциальными, как и система отсчета, связанная с Землей. 2. Опыт показывает, что на судне, движущемся прямолинейно и равномерно относительно Земли, так же легко двигаться по любому направлению, как н на Земле.
Прн выстреле из пистолета пуля летит столько же времени от носа к корме, сколько и от кормы к носу. Тело, выпущенное из рук, падает вертикально вниз (разумеется, относительно судна; относительно Земли оно движется по параболической траектории). Вода, налитая в какой-либо сосуд, имеет горизонтальную поверхность, как и на Земле.
Из этих и многих иных явлений следует, что никакой механический эксперимент не позволяет нам выделить нз совокупности инерциальных систем какую-либо одну преимущественную систему отсчета. Отсюда вытекает, что не может быть речи об абсолютном покое нли абсолютном движении тел, а можно говорить лишь об их относительном движении в какой-либо ннерциальной системе отсчета. Этот основной закон природы называется принцшюм относительности Галилея. Его можно сформулировагь следующим образом: Во всех инерциальнелх системах отсчета законы механики одинаково справедливы; или, короче, все инерциальные системы отсчета равноправны. Анализ принципа относительности, проделанный Альбертом Эйнштейном, привел его в !905 г. к выводу, что этот принцип является одним нз самых фундаментальных законов природы, который применим не только к механическим, ио и к любым другим явле- 28 пням — тепловым, электромагнитным, оптическим и т.
п. Зто позволило ему сформулировать общий принцип относительности, называемый часто принципом относительности Эйнштейна: Во всех инерциальных системах отсчета все законы природы одинаковы. Этот принцип является одной из основ современного физического мирогюнимания. 9 2.4. Преобразования Галилея 1. В ньютоновской механике мы имеем дело с относительно малыми скоростями. Действительно, самые большие скорости, с которыми движутся макроскопические тела, — это скорости планет, метеоров, космических кораблей. Они не превышают нескольких десятков километров в секунду, что много меньше скорости света с = 300000 км/с. Рис.
2Л. Если координаты некоторой материальной точки заданы в одной инерциальной системе отсчета, то можно вычислить координаты этой же точки в любой другой инерциальной системе, движущейся относительно первой равномерно и прямолинейно. Точная форма соответствующих преобразований координат будет выведена в 9 12.7. Здесь же мы рассмотрим так называемые преобразования Галилея, которые позволяют связать между собой координаты некоторой материальной точки в двух разных инерциальных системах отсчета при скоростях движения, много меньших скорости света, 2. Свяжем одну систему отсчета для определенности с Землей, а вторую — с вагоном, который движется относителыю Земли равномерно и прямолинейно со скоростью о.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
