Mga inertial na sistema ng sanggunian. Ang prinsipyo ng relativity

Anumang katawan ay maaaring maimpluwensyahan ng ibang mga katawan na nakapaligid dito, bilang isang resulta kung saan ang estado ng paggalaw (pahinga) ng naobserbahang katawan ay maaaring magbago. Kasabay nito, ang mga naturang epekto ay maaaring mabayaran (balanse) at hindi maging sanhi ng mga naturang pagbabago. Kapag sinabi nila na ang mga aksyon ng dalawa o higit pang mga katawan ay nagbabayad sa isa't isa, nangangahulugan ito na ang resulta ng kanilang magkasanib na aksyon ay pareho na kung ang mga katawan na ito ay hindi umiiral. Kung ang impluwensya ng iba pang mga katawan sa katawan ay nabayaran, kung gayon kamag-anak sa Earth ang katawan ay alinman sa pahinga o gumagalaw nang rectilinearly at pare-pareho.

Kaya, dumating tayo sa isa sa mga pangunahing batas ng mekanika, na tinatawag na unang batas ni Newton.

Ang unang batas ni Newton (batas ng pagkawalang-galaw)

Mayroong ganoong mga sistema ng sanggunian kung saan ang isang katawan na gumagalaw sa pagsasalin ay nasa isang estado ng pahinga o pare-parehong rectilinear motion (motion by inertia) hanggang sa mailabas ito ng mga impluwensya mula sa ibang mga katawan mula sa estadong ito.

Kaugnay ng nasa itaas, ang pagbabago sa bilis ng isang katawan (i.e. acceleration) ay palaging sanhi ng impluwensya ng ilang iba pang mga katawan sa katawan na ito.

Ang 1st law ni Newton ay nasiyahan lamang sa mga inertial frames of reference.

Kahulugan

Ang mga frame ng reference na nauugnay kung saan ang isang katawan, na hindi apektado ng ibang mga katawan, ay nakapahinga o gumagalaw nang pantay at nasa isang tuwid na linya ay tinatawag na inertial.

Tukuyin kung ang sistemang ito Ang sanggunian ng inertial ay posible lamang sa eksperimento. Sa karamihan ng mga kaso, ang mga sistema ng sanggunian na nauugnay sa Earth o sa mga katawan ng sanggunian na, patungkol sa ibabaw ng lupa gumagalaw nang pantay-pantay at sa isang tuwid na linya.

Figure 1. Inertial reference frame

Ngayon ay nakumpirma na sa eksperimento na ang heliocentric reference system na nauugnay sa gitna ng Araw at tatlong "fixed" na mga bituin ay halos inertial.

Anumang iba pang sistema ng sanggunian na gumagalaw nang pare-pareho at rectilinearly na may kaugnayan sa inertial ay mismong inertial.

Itinatag ni Galileo na walang mga mekanikal na eksperimento na isinagawa sa loob ng isang inertial reference system ang makakapagtatag kung ang sistemang ito ay nakapahinga o gumagalaw nang pare-pareho at rectilinearly. Ang pahayag na ito ay tinatawag na prinsipyo ng relativity ni Galileo, o mekanikal na prinsipyo relativity.

Ang prinsipyong ito ay kasunod na binuo ni A. Einstein at isa sa mga postulate ng espesyal na teorya ng relativity. Ang mga ISO ay may napakahalagang papel sa pisika, dahil, ayon sa prinsipyo ng relativity ni Einstein, ang pagpapahayag ng matematika ng anumang batas ng pisika ay may parehong anyo sa bawat ISO.

Kung ang reference body ay gumagalaw nang may acceleration, ang reference frame na nauugnay dito ay non-inertial, at ang 1st law ni Newton ay hindi wasto dito.

Ang pag-aari ng mga katawan upang mapanatili ang kanilang estado sa paglipas ng panahon (bilis ng paggalaw, direksyon ng paggalaw, estado ng pahinga, atbp.) Ay tinatawag na inertia. Ang mismong kababalaghan ng konserbasyon ng bilis ng isang gumagalaw na katawan sa kawalan panlabas na impluwensya tinatawag na inertia.

Figure 2. Mga pagpapakita ng inertia sa isang bus kapag nagsisimulang gumalaw at nagpepreno

Madalas nating nakatagpo ang mga pagpapakita ng pagkawalang-kilos ng mga katawan sa pang-araw-araw na buhay. Kapag ang bus ay mabilis na bumilis, ang mga pasaherong sakay ay sumasandal (Larawan 2, a), at kapag ang bus ay biglang nagpreno, sila ay sumandal pasulong (Larawan 2, b), at kapag ang bus ay lumiko sa kanan, sila ay sumandal patungo sa kaliwang pader nito. Kapag ang isang eroplano ay lumipad sa mataas na acceleration, ang katawan ng piloto, sinusubukang mapanatili ang orihinal na estado ng pahinga, ay pumipindot sa upuan.

Ang pagkawalang-galaw ng mga katawan ay malinaw na ipinahayag kapag mayroong isang matalim na pagbabago sa acceleration ng mga katawan ng system, kapag ang inertial frame ng sanggunian ay pinalitan ng isang non-inertial, at vice versa.

Ang inertia ng isang katawan ay karaniwang nailalarawan sa pamamagitan ng masa nito (inertial mass).

Ang puwersang kumikilos sa isang katawan mula sa isang non-inertial reference frame ay tinatawag na inertial force

Kung maraming pwersa ang sabay-sabay na kumikilos sa isang katawan sa isang non-inertial reference frame, ang ilan sa mga ito ay "ordinaryong" pwersa, at ang iba ay inertial, kung gayon ang katawan ay makakaranas ng isang resultang puwersa, na siyang vector sum ng lahat ng pwersang kumikilos. sa ibabaw nito. Ang resultang puwersa na ito ay hindi isang inertial na puwersa. Ang inertial force ay bahagi lamang ng resultang puwersa.

Kung ang isang patpat na sinuspinde ng dalawang manipis na sinulid ay dahan-dahang hinihila ng isang kurdon na nakakabit sa gitna nito, kung gayon:

masisira ang patpat;
naputol ang kurdon;
isa sa mga thread break;
Posible ang anumang opsyon, depende sa puwersang inilapat

Larawan 4

Ang puwersa ay inilalapat sa gitna ng stick, kung saan ang kurdon ay nasuspinde. Dahil, ayon sa 1st law ni Newton, ang bawat katawan ay may inertia, bahagi ng stick sa punto kung saan nakasuspinde ang kurdon ay lilipat sa ilalim ng pagkilos ng inilapat na puwersa, at ang ibang bahagi ng stick na hindi apektado ng puwersa ay mananatili. sa pahinga. Samakatuwid, ang stick ay masira sa suspension point.

Sagot. Tamang sagot 1.

Ang isang lalaki ay humila ng dalawang konektadong sled, na naglalapat ng puwersa sa isang anggulo na 300 sa pahalang. Hanapin ang puwersang ito kung alam mo na ang sled ay gumagalaw nang pantay. Ang bigat ng sled ay 40 kg. Koepisyent ng friction 0.3.

$t_1$ = $t_2$ = $m$ = 40 kg

$(\mathbf \mu )$ = 0.3

$(\mathbf \alpha )$=$30^(\circ)$

$g$ = 9.8 m/s2

Larawan 5

Dahil ang sled ay gumagalaw sa isang pare-parehong bilis, ayon sa unang batas ni Newton, ang kabuuan ng mga puwersang kumikilos sa sled ay zero. Isulat natin kaagad ang unang batas ni Newton para sa bawat katawan sa projection sa axis, at idagdag ang batas ni Coulomb ng dry friction para sa sled:

OX axis OY axis

\[\left\( \begin(array)(c) T-F_(tr1)=0 \\ F_(tr1)=\mu N_1 \\ F_(tr2)=\mu N_2 \\ F(cos \alpha - \ )F_(tr2)-T=0 \end(array) \kanan\( \begin(array)(c) N_1-mg=0 \\ N_2+F(sin \alpha \ )-mg=0. \end(array) \right.\]

$F=\frac(2\mu mg)((cos \alpha \ )+\mu (sin \alpha \ ))=\ \frac(2\cdot 0.3\cdot 40\cdot 9.8)((cos 30() ^\circ \ )+0.3\cdot (sin 30()^\circ \ ))=231.5\ H$

Mga inertial na sistema ng sanggunian Tinatawag nila ang gayong mga sistema, na nauugnay sa kung saan ang lahat ng mga katawan na hindi nakakaranas ng pagkilos ng mga pwersa ay gumagalaw nang pantay-pantay at rectilinearly.

Kung ang anumang sistema ng sanggunian ay gumagalaw nang may kaugnayan sa inertial system sa pagsasalin, ngunit hindi rectilinearly at pare-pareho, ngunit may acceleration o pag-ikot, kung gayon ang naturang sistema ay hindi maaaring maging inertial at ang batas ng inertia ay hindi nasiyahan dito.

Sa lahat inertial reference system lahat ng mekanikal at mga pisikal na proseso magpatuloy sa eksaktong parehong paraan (sa ilalim ng parehong mga kondisyon).

Ayon sa prinsipyo ng relativity, lahat inertial reference system ay pantay-pantay at lahat ng mga pagpapakita ng mga batas ng pisika sa mga ito ay mukhang pareho, at ang mga talaan ng mga batas na ito sa iba't ibang mga inertial frame ng sanggunian ay may parehong anyo.

Kung sa isang isotropic space ay mayroong kahit isa inertial reference frame, dumating kami sa konklusyon na mayroong isang walang katapusang bilang ng mga naturang sistema na gumagalaw na may kaugnayan sa isa't isa sa pagsasalin, pantay-pantay at rectilinearly. Kung ang mga inertial na frame ng sanggunian ay umiiral, kung gayon ang espasyo ay homogenous at isotropic, at ang oras ay homogenous.

Mga batas ni Newton at iba pang mga batas ng dinamika ay nasiyahan lamang sa mga inertial reference system.

Isaalang-alang natin ang isang halimbawa ng inertial at non-inertial system. Kumuha ng cart na may dalawang bola. Ang isa sa kanila ay namamalagi sa isang pahalang na ibabaw, at ang isa ay nasuspinde sa isang thread. Una, gumagalaw ang cart na may kaugnayan sa Earth nang patuwid at pare-pareho ( A). Ang mga puwersang kumikilos sa bawat bola nang patayo ay balanse, at pahalang na walang puwersang kumikilos sa mga bola (maaaring balewalain ang puwersa ng air resistance).

Sa anumang bilis ng paggalaw ng cart na may kaugnayan sa lupa ( v 1, υ 2, υ 3 atbp.) ang mga bola ay nasa pahinga na may kaugnayan sa cart, ang pangunahing bagay ay ang bilis ay pare-pareho.

Gayunpaman, kapag ang cart ay tumama sa isang sand embankment ( b), ang bilis nito ay magsisimulang bumaba nang mabilis, na magiging sanhi ng paghinto ng cart. Sa panahon ng pagpepreno ng cart, ang parehong mga bola ay magsisimulang gumalaw - babaguhin nila ang kanilang bilis na may kaugnayan sa cart, kahit na hindi sila itinulak ng anumang pwersa.

Sa halimbawang ito, ang unang (conditionally stationary) reference frame ay ang Earth. Ang pangalawang frame ng sanggunian, na gumagalaw na may kaugnayan sa una, ay ang cart. Habang ang cart ay gumagalaw nang pare-pareho at rectilinearly, ang mga bola ay nakapahinga na may kaugnayan sa cart, ibig sabihin, ang batas ng inertia ay natupad. Sa sandaling nagsimulang bumagal ang cart, ibig sabihin, nagsimulang gumalaw nang may acceleration na may kaugnayan sa inertial (unang) frame of reference, ang batas ng inertia ay tumigil sa paglalapat.

Walang mahigpit na inertial reference system. Ang tunay na sistema ng sanggunian ay palaging nauugnay sa ilang partikular na katawan na may kaugnayan kung saan pinag-aaralan ang iba't ibang bagay. Ang lahat ng tunay na katawan ay gumagalaw nang may kaunting acceleration, samakatuwid anuman tunay na sistema ang sanggunian ay maaaring ituring na inertial lamang sa humigit-kumulang.

Inertial system na may napaka mataas na antas Ang heliocentric system na nauugnay sa gitna ng Araw at mga coordinate axes na nakadirekta sa tatlong malalayong bituin ay itinuturing na tumpak. Ang sistemang ito ay ginagamit sa mga problema ng celestial mechanics at astronautics. Sa karamihan ng mga teknikal na problema, ang isang inertial frame of reference ay itinuturing na anumang sistema na mahigpit na konektado sa lupa (o anumang katawan na nakapahinga o gumagalaw nang rectilinearly at pare-parehong nauugnay sa ibabaw ng Earth).

Sinubukan ng mga sinaunang pilosopo na maunawaan ang kakanyahan ng paggalaw, upang matukoy ang epekto ng mga bituin at Araw sa mga tao. Bilang karagdagan, palaging sinubukan ng mga tao na kilalanin ang mga puwersa na kumikilos sa isang materyal na punto sa panahon ng paggalaw nito, pati na rin sa sandali ng pahinga.

Naniniwala si Aristotle na sa kawalan ng paggalaw, ang katawan ay hindi apektado ng anumang pwersa. Subukan nating alamin kung aling mga reference system ang tinatawag na inertial, at magbigay ng mga halimbawa ng mga ito.

Estado ng pahinga

SA araw-araw na buhay mahirap tukuyin ang ganitong kondisyon. Halos lahat ng uri mekanikal na paggalaw ang pagkakaroon ng mga pwersa sa labas ay ipinapalagay. Ang dahilan ay ang puwersa ng alitan, na pumipigil sa maraming mga bagay na umalis sa kanilang orihinal na posisyon at umalis sa isang estado ng pahinga.

Isinasaalang-alang ang mga halimbawa ng isang inertial reference system, tandaan namin na lahat sila ay sumusunod sa 1st law ng Newton. Pagkatapos lamang ng pagtuklas nito posible na ipaliwanag ang estado ng pahinga at ipahiwatig ang mga puwersa na kumikilos sa katawan sa estadong ito.

Pahayag ng 1st law ni Newton

Sa modernong interpretasyon, ipinapaliwanag nito ang pagkakaroon ng mga sistema ng coordinate, na may kaugnayan sa kung saan maaaring isaalang-alang ng isa ang kawalan ng impluwensya sa isang materyal na punto ng mga panlabas na puwersa. Mula sa pananaw ni Newton, ang mga sistema ng sanggunian ay tinatawag na inertial, na nagpapahintulot sa amin na isaalang-alang ang pag-iingat ng bilis ng isang katawan sa loob ng mahabang panahon.

Mga Kahulugan

Aling mga sistema ng sanggunian ang inertial? Ang mga halimbawa ng mga ito ay pinag-aralan sa kursong pisika ng paaralan. Ang mga inertial system ay itinuturing na mga frame ng sanggunian na nauugnay kung saan ang isang materyal na punto ay gumagalaw sa isang pare-parehong bilis. Nilinaw ni Newton na ang anumang katawan ay maaaring nasa katulad na estado hangga't hindi na kailangang maglapat ng mga puwersa dito na maaaring magbago ng naturang estado.

Sa katotohanan, ang batas ng pagkawalang-galaw ay hindi nasiyahan sa lahat ng kaso. Pagsusuri ng mga halimbawa ng inertial at non-inertial reference system, isaalang-alang ang isang taong may hawak ng mga handrail sa isang gumagalaw na sasakyan. Kapag ang isang kotse ay nagpreno nang husto, ang isang tao ay awtomatikong gumagalaw na may kaugnayan sa sasakyan, sa kabila ng kawalan ng panlabas na puwersa.

Lumalabas na hindi lahat ng mga halimbawa ng isang inertial reference system ay tumutugma sa pagbabalangkas ng 1st law ni Newton. Upang linawin ang batas ng pagkawalang-galaw, isang pinong sanggunian ang ipinakilala, kung saan ito ay ganap na natupad.

Mga uri ng sistema ng sanggunian

Anong mga sistema ng sanggunian ang tinatawag na inertial? Malapit na itong maging malinaw. "Magbigay ng mga halimbawa ng mga inertial reference system kung saan nasiyahan ang 1st law ni Newton" - isang katulad na gawain ang inaalok sa mga mag-aaral na pinili ang physics bilang pagsusulit sa ikasiyam na baitang. Upang makayanan ang gawain, kinakailangan na magkaroon ng pag-unawa sa inertial at non-inertial reference system.

Ang inertia ay nagsasangkot ng pagpapanatili ng pahinga o pare-parehong linear na paggalaw ng isang katawan hangga't ang katawan ay nakahiwalay. Ang "nakahiwalay" ay itinuturing na mga katawan na hindi konektado, hindi nakikipag-ugnayan, at malayo sa isa't isa.

Tingnan natin ang ilang halimbawa ng mga inertial reference system. Kung isasaalang-alang natin ang reference frame bilang isang bituin sa Galaxy, at hindi isang gumagalaw na bus, ang katuparan ng batas ng pagkawalang-galaw para sa mga pasaherong nakahawak sa mga handrail ay magiging walang kamali-mali.

Sa panahon ng pagpepreno, ang sasakyang ito ay patuloy na gumagalaw nang pantay-pantay sa isang tuwid na linya hanggang sa ito ay aksyunan ng ibang mga katawan.

Ano ang ilang halimbawa ng inertial frame of reference? Hindi sila dapat magkaroon ng koneksyon sa katawan na sinusuri o makakaapekto sa pagkawalang-galaw nito.

Ito ay para sa mga naturang sistema na nasiyahan ang unang batas ni Newton. SA totoong buhay mahirap isaalang-alang ang paggalaw ng isang katawan na may kaugnayan sa inertial frames of reference. Imposibleng makarating sa isang malayong bituin upang magsagawa ng mga eksperimento sa lupa mula dito.

Ang Earth ay kinuha bilang isang maginoo na sistema ng sanggunian, sa kabila ng katotohanan na ito ay konektado sa mga bagay na nakalagay dito.

Maaaring kalkulahin ang acceleration sa isang inertial reference frame kung isasaalang-alang natin ang ibabaw ng Earth bilang reference frame. Hindi sa physics mathematical notation 1 ng batas ni Newton, ngunit tiyak na ito ang batayan para sa derivation ng maraming pisikal na kahulugan at termino.

Mga halimbawa ng inertial reference system

Minsan nahihirapan ang mga mag-aaral na maunawaan ang mga pisikal na phenomena. Ang mga nasa ika-siyam na baitang ay inaalok ng isang gawain na may sumusunod na nilalaman: "Aling mga sistema ng sanggunian ang tinatawag na inertial? Magbigay ng mga halimbawa ng mga ganitong sistema." Ipagpalagay natin na ang cart na may bola sa una ay gumagalaw sa isang patag na ibabaw sa pare-pareho ang bilis. Pagkatapos ay gumagalaw ito sa buhangin, bilang isang resulta ang bola ay inilalagay sa pinabilis na paggalaw, sa kabila ng katotohanan na walang ibang pwersa ang kumikilos dito (ang kanilang kabuuang epekto ay zero).

Ang kakanyahan ng kung ano ang nangyayari ay maaaring ipaliwanag sa pamamagitan ng ang katunayan na habang gumagalaw sa isang mabuhangin na ibabaw, ang sistema ay tumigil na maging inertial, mayroon itong pare-pareho ang bilis. Ang mga halimbawa ng inertial at non-inertial reference system ay nagpapahiwatig na ang kanilang paglipat ay nangyayari sa isang tiyak na tagal ng panahon.

Kapag bumibilis ang katawan, may positibong halaga ang acceleration nito, at kapag nagpepreno, nagiging negatibo ang indicator na ito.

Curvilinear na paggalaw

May kaugnayan sa mga bituin at Araw, ang paggalaw ng Earth ay nangyayari sa isang curvilinear trajectory, na may hugis ng isang ellipse. Ang sistema ng sanggunian kung saan ang sentro ay nakahanay sa Araw, at ang mga palakol ay nakadirekta sa ilang partikular na mga bituin, ay ituturing na inertial.

Tandaan na ang anumang sistema ng sanggunian na lilipat nang rectilinearly at pare-parehong nauugnay sa heliocentric system ay inertial. Ang paggalaw ng curvilinear ay isinasagawa nang may kaunting acceleration.

Isinasaalang-alang ang katotohanan na ang Earth ay gumagalaw sa paligid ng axis nito, ang reference frame na nauugnay sa ibabaw nito, na nauugnay sa heliocentric, ay gumagalaw nang may kaunting acceleration. SA katulad na sitwasyon maaari nating tapusin na ang reference frame, na nauugnay sa ibabaw ng Earth, ay gumagalaw nang may acceleration na may kaugnayan sa heliocentric, kaya hindi ito maituturing na inertial. Ngunit ang halaga ng acceleration ng naturang sistema ay napakaliit na sa maraming mga kaso ito ay makabuluhang nakakaapekto sa mga detalye ng mga mekanikal na phenomena na isinasaalang-alang kaugnay nito.

Upang malutas ang mga praktikal na problema ng isang teknikal na kalikasan, kaugalian na isaalang-alang ang frame of reference na mahigpit na konektado sa ibabaw ng Earth bilang inertial.

Ang relativity ni Galileo

Ang lahat ng inertial frames of reference ay may mahalagang katangian, na inilalarawan ng prinsipyo ng relativity. Ang kakanyahan nito ay namamalagi sa ang katunayan na ang anumang mekanikal na kababalaghan na may pareho paunang kondisyon ay isinasagawa sa parehong paraan anuman ang napiling sistema ng sanggunian.

Ang pagkakapantay-pantay ng ISO ayon sa prinsipyo ng relativity ay ipinahayag sa mga sumusunod na probisyon:

Sa ganitong mga sistema ay pareho sila, samakatuwid ang anumang equation na inilarawan nila, na ipinahayag sa mga tuntunin ng mga coordinate at oras, ay nananatiling hindi nagbabago.
Ang mga resulta ng mga isinagawang mekanikal na eksperimento ay ginagawang posible upang matukoy kung ang sistema ng sanggunian ay magiging pahinga, o kung ito ay magsasagawa ng isang rectilinear uniform motion. Anumang sistema ay maaaring matukoy bilang nakatigil kung ang isa pang sistema ay gumagalaw nang may kaugnayan dito sa isang tiyak na bilis.
Ang mga equation ng mechanics ay nananatiling hindi nagbabago kaugnay ng mga coordinate na pagbabago sa kaso ng paglipat mula sa isang sistema patungo sa pangalawa. Posibleng ilarawan ang parehong kababalaghan sa iba't ibang mga sistema, ngunit ang kanilang pisikal na katangian ay hindi magbabago.

Paglutas ng problema

Unang halimbawa.

Tukuyin kung ang sumusunod ay isang inertial reference system: a) isang artipisyal na Earth satellite; b) pang-akit ng mga bata.

Sagot. Sa unang kaso, walang tanong tungkol sa isang inertial reference frame, dahil ang satellite ay gumagalaw sa orbit sa ilalim ng impluwensya ng puwersa ng grabidad, samakatuwid, ang paggalaw ay nangyayari nang may ilang pagbilis.

Pangalawang halimbawa.

Ang sistema ng pag-uulat ay mahigpit na konektado sa elevator. Sa anong mga sitwasyon ito matatawag na inertial? Kung ang elevator ay: a) bumagsak; b) gumagalaw nang pantay pataas; c) mabilis na tumataas; d) pare-parehong nakadirekta pababa.

Sagot. a) Kailan libreng pagkahulog lalabas ang acceleration, kaya hindi magiging inertial ang reference system na nauugnay sa elevator.

b) Kapag ang elevator ay gumagalaw nang pantay, ang sistema ay inertial.

c) Kapag gumagalaw nang may kaunting acceleration, ang reference system ay itinuturing na inertial.

d) Mabagal ang paggalaw ng elevator at may negatibong acceleration, kaya hindi matatawag na inertial ang reference frame.

Konklusyon

Sa buong pag-iral nito, sinusubukan ng sangkatauhan na maunawaan ang mga phenomena na nagaganap sa kalikasan. Ang mga pagtatangkang ipaliwanag ang relativity ng paggalaw ay ginawa ni Galileo Galilei. Nakuha ni Isaac Newton ang batas ng inertia, na nagsimulang gamitin bilang pangunahing postulate kapag nagsasagawa ng mga kalkulasyon sa mekanika.

Sa kasalukuyan, ang isang body position determination system ay kinabibilangan ng isang katawan, isang aparato para sa pagtukoy ng oras, at isang coordinate system. Depende sa kung ang katawan ay gumagalaw o nakatigil, posible na makilala ang posisyon ng isang bagay sa nais na tagal ng panahon.

Pangkalahatang kurso sa pisika

Panimula.

Physics (Griyego, mula sa physis - kalikasan), ang agham ng kalikasan, pag-aaral ng pinakasimpleng at sa parehong oras ang pinaka-pangkalahatang mga katangian ng materyal na mundo (ang mga batas ng natural na phenomena, ang mga katangian at istraktura ng bagay at ang mga batas ng paggalaw nito ). Ang mga konsepto ng pisika at mga batas nito ay sumasailalim sa lahat ng natural na agham. Ang pisika ay nabibilang sa mga eksaktong agham at pinag-aaralan ang mga quantitative laws ng phenomena. Samakatuwid, natural, ang wika ng pisika ay matematika.

Ang bagay ay maaaring umiral sa dalawang pangunahing anyo: substance at field. Sila ay magkakaugnay.

Mga halimbawa: B higit pa– mga solido, likido, plasma, molekula, atomo, elementarya na particle, atbp.

Patlang– electromagnetic field (quanta (mga bahagi) ng field – photon);

gravitational field (field quanta - gravitons).

Relasyon sa pagitan ng bagay at larangan– paglipol ng isang pares ng electron-positron.

Ang pisika ay tiyak na isang agham na pananaw sa mundo, at ang kaalaman sa mga batayan nito ay isang kinakailangang elemento ng anumang edukasyon at kultura ng modernong tao.

Kasabay nito, ang pisika ay may napakalaking inilapat na kahalagahan. Ito ay sa kanya na ang ganap na mayorya ng teknikal, impormasyon at komunikasyon na mga nakamit ng sangkatauhan ay utang.

Bukod dito, sa nakalipas na mga dekada, natagpuan ng mga pamamaraan ng pisikal na pananaliksik ang lahat mas malaking aplikasyon sa mga agham na tila malayo sa pisika, tulad ng sosyolohiya at ekonomiya.

Mga klasikal na mekanika.

Ang mekanika ay isang sangay ng pisika na nag-aaral pinakasimpleng anyo motion of matter – paggalaw ng mga katawan sa espasyo at oras.

Sa una, ang mga pangunahing prinsipyo (mga batas) ng mekanika bilang isang agham ay binuo ni I. Newton sa anyo ng tatlong batas, na tumanggap ng kanyang pangalan.

Gamit ang paraan ng vector ng paglalarawan, ang bilis ay maaaring tukuyin bilang derivative ng radius vector ng isang punto o katawan , at kumikilos dito ang masa bilang koepisyent ng proporsyonalidad.

Kapag ang dalawang katawan ay nakikipag-ugnayan, ang bawat isa sa kanila ay kumikilos sa kabilang katawan na may puwersa na pantay ang halaga ngunit magkasalungat ang direksyon.

Ang mga batas na ito ay nagmula sa karanasan. Ang lahat ng mga klasikal na mekanika ay itinayo sa kanila. Sa loob ng mahabang panahon ay pinaniniwalaan na ang lahat ng nakikitang phenomena ay maaaring ilarawan ng mga batas na ito. Gayunpaman, sa paglipas ng panahon, ang mga hangganan ng mga kakayahan ng tao ay lumawak, at ipinakita ng karanasan na ang mga batas ni Newton ay hindi palaging wasto, at ang mga klasikal na mekanika, bilang kinahinatnan, ay may ilang mga limitasyon ng kakayahang magamit.

Bilang karagdagan, sa ibang pagkakataon ay babalik tayo sa mga klasikal na mekanika mula sa isang bahagyang naiibang anggulo - batay sa mga batas sa konserbasyon, na sa isang kahulugan ay mas pangkalahatang mga batas ng pisika kaysa sa mga batas ni Newton.

1.2. Mga limitasyon ng kakayahang magamit ng mga klasikal na mekanika.

Ang unang limitasyon ay nauugnay sa bilis ng mga bagay na pinag-uusapan. Ipinakita ng karanasan na ang mga batas ni Newton ay mananatiling wasto lamang kung , kung saan ang bilis ng liwanag sa vacuum ( ). Sa mga bilis na ito, ang mga linear na kaliskis at agwat ng oras ay hindi nagbabago kapag lumilipat mula sa isang reference system patungo sa isa pa. kaya lang ang espasyo at oras ay ganap sa klasikal na mekanika.

Kaya, ang mga klasikal na mekanika ay naglalarawan ng paggalaw na may mababang bilis ng kamag-anak, i.e. Ito ay non-relativistic physics. Paghihigpit mula sa gilid mataas na bilis– ang unang limitasyon ng paggamit ng klasikal na Newtonian mechanics.

Bilang karagdagan, ipinapakita ng karanasan na ang paggamit ng mga batas ng Newtonian mechanics sa paglalarawan ng mga micro-object: mga molekula, atomo, nuclei, elementarya na mga particle, atbp. Simula sa mga sukat

(), isang sapat na paglalarawan ng mga naobserbahang penomena ay ibinibigay ng iba

batas - dami. Sila ang mga kailangang gamitin kapag ang katangian na dami na naglalarawan sa sistema at may sukat , ay maihahambing sa pare-pareho ng Planck Sabihin natin, para sa isang elektron na matatagpuan sa isang atom, mayroon tayong . Kung gayon ang dami na may dimensyon ng angular momentum ay katumbas ng: .

Anumang pisikal na kababalaghan ay pagkakasunod-sunod ng mga pangyayari. Kaganapan ay tinatawag na kung ano ang nangyayari sa isang partikular na punto sa espasyo sa isang partikular na sandali sa oras.

Upang ilarawan ang mga kaganapan, ilagay espasyo at oras– mga kategoryang nagsasaad ng mga pangunahing anyo ng pagkakaroon ng bagay. Ang espasyo ay nagpapahayag ng pagkakasunud-sunod ng pagkakaroon ng mga indibidwal na bagay, at ang oras ay nagpapahayag ng pagkakasunud-sunod ng pagbabago ng mga phenomena. Dapat markahan ang espasyo at oras. Ang pagmamarka ay isinasagawa sa pamamagitan ng pagpapakilala ng mga katawan ng sanggunian at mga katawan ng sanggunian (scale).

Mga frame ng sanggunian. Mga inertial na sistema ng sanggunian.

Upang ilarawan ang paggalaw ng isang katawan o ang modelong ginamit - isang materyal na punto - ay maaaring gamitin paraan ng vector paglalarawan kapag ang posisyon ng bagay na kinaiinteresan namin ay tinukoy gamit ang radius vector isang segment na nakadirekta mula sa katawan ng sanggunian sa isang punto ng interes sa amin, ang posisyon nito sa kalawakan ay maaaring magbago sa paglipas ng panahon. Ang geometric na locus ng mga dulo ng radius vector ay tinatawag tilapon gumagalaw na punto.

2.1. Mga sistema ng coordinate.

Ang isa pang paraan upang ilarawan ang paggalaw ng isang katawan ay coordinate, kung saan ang isang partikular na sistema ng coordinate ay mahigpit na nauugnay sa katawan ng sanggunian.

Sa mekanika, at sa pisika sa pangkalahatan, maginhawang gumamit ng iba't ibang sistema ng coordinate para sa iba't ibang problema. Ang pinakakaraniwang ginagamit ay ang tinatawag na Cartesian, cylindrical at spherical mga sistema ng coordinate.

1) Cartesian coordinate system: tatlong magkaparehong patayo na mga palakol ay ipinasok na may tinukoy na mga kaliskis kasama ang lahat ng tatlong mga palakol (mga pinuno). Ang reference point para sa lahat ng axes ay kinuha mula sa reference body. Ang mga limitasyon ng pagbabago para sa bawat isa sa mga coordinate mula sa .

Ang radius vector na tumutukoy sa posisyon ng isang punto ay tinutukoy sa pamamagitan ng mga coordinate nito bilang

. (2.1)

Maliit na volume sa Cartesian system:

o sa napakaliit na pagdaragdag:

(2.2)

2) Cylindrical coordinate system: ang mga variable na pinili ay ang distansya mula sa axis, ang anggulo ng pag-ikot mula sa x-axis, at ang taas sa kahabaan ng axis mula sa reference body.

3) Spherical coordinate system: ipasok ang distansya mula sa katawan ng sanggunian hanggang sa punto ng interes at mga anggulo

pag-ikot at , sinusukat mula sa mga palakol at , ayon sa pagkakabanggit.

Radius vector – function ng mga variable

mga limitasyon ng mga pagbabago sa coordinate:

Ang mga coordinate ng Cartesian ay nauugnay sa mga spherical coordinate ng mga sumusunod na relasyon

(2.6)

Volume element sa spherical coordinates:

(2.7)

2.2. Sistema ng sanggunian.

Upang makabuo ng isang reference system, ang isang coordinate system na mahigpit na konektado sa reference body ay dapat na pupunan ng isang orasan. Ang mga orasan ay maaaring matatagpuan sa iba't ibang mga punto sa espasyo, kaya kailangan nilang i-synchronize. Ginagawa ang pag-synchronize ng orasan gamit ang mga signal. Hayaan ang oras ng pagpapalaganap ng signal mula sa punto kung saan naganap ang kaganapan hanggang sa punto ng pagmamasid ay katumbas ng . Pagkatapos ay dapat ipakita ng aming relo ang oras sa sandaling lumitaw ang signal , kung ang orasan sa punto ng kaganapan sa sandali ng paglitaw nito ay nagpapakita ng oras. Isasaalang-alang namin ang mga naturang orasan na naka-synchronize.

Kung ang distansya mula sa punto sa espasyo kung saan naganap ang kaganapan sa punto ng pagmamasid ay , at ang bilis ng paghahatid ng signal ay , kung gayon . Sa mga klasikal na mekanika ay tinatanggap na ang bilis ng pagpapalaganap ng signal . Samakatuwid, ang isang orasan ay ipinakilala sa buong espasyo.

Kabuuan mga katawan ng sanggunian, mga sistema ng coordinate at mga orasan anyo Frame ng sanggunian(KAYA).

Mayroong walang katapusang bilang ng mga sistema ng sanggunian. Ipinapakita ng karanasan na ang mga bilis ay maliit pa rin kumpara sa bilis ng liwanag , ang mga linear na kaliskis at agwat ng oras ay hindi nagbabago kapag lumilipat mula sa isang reference system patungo sa isa pa.

Sa madaling salita, sa klasikal na mechanics ang espasyo at oras ay ganap.

Kung , kung gayon ang mga kaliskis at agwat ng oras ay nakasalalay sa pagpili ng data ng sanggunian, i.e. ang espasyo at oras ay nagiging magkaugnay na konsepto. Isa na itong lugar relativistikong mekanika.

2.3.Mga inertial na sistema ng sanggunian(ISO).

Kaya, tayo ay nahaharap sa pagpili ng isang sistema ng sanggunian kung saan malulutas natin ang mga problema ng mekanika (ilarawan ang paggalaw ng mga katawan at itatag ang mga dahilan na sanhi nito). Lumalabas na hindi lahat ng mga sistema ng sanggunian ay pantay-pantay, hindi lamang sa pormal na paglalarawan ng problema, ngunit, kung ano ang mas mahalaga, kinakatawan nila ang iba't ibang mga dahilan na nagdudulot ng pagbabago sa estado ng katawan.

Ang balangkas ng sanggunian kung saan ang mga batas ng mekanika ay nabuo sa pinakasimpleng nagbibigay-daan sa atin na itatag ang unang batas ni Newton, na nagpapatunay ng pagkakaroon inertial reference system– ISO.

Unang batas ng klasikal na mekanika - Galileo-Newton batas ng pagkawalang-galaw.

Mayroong isang sistema ng sanggunian kung saan ang isang materyal na punto, kung ibubukod natin ang pakikipag-ugnayan nito sa lahat ng iba pang mga katawan, ay lilipat sa pamamagitan ng pagkawalang-galaw, i.e. mapanatili ang isang estado ng pahinga o pare-parehong linear na paggalaw.

Ito ay isang inertial reference system (IRS).

Sa ISO, ang pagbabago sa paggalaw ng isang materyal na punto (pagpabilis) ay sanhi lamang ng pakikipag-ugnayan nito sa ibang mga katawan, ngunit hindi nakasalalay sa mga katangian ng mismong sistema ng sanggunian.

Mula noong sinaunang panahon, ang paggalaw ng mga materyal na katawan ay hindi tumitigil upang pukawin ang isipan ng mga siyentipiko. Halimbawa, si Aristotle mismo ay naniniwala na kung walang mga puwersa na kumikilos sa isang katawan, kung gayon ang gayong katawan ay palaging nasa pahinga.

At makalipas lamang ang 2000 taon, ang Italyano na siyentipiko na si Galileo Galilei ay nagawang ibukod ang salitang "laging" mula sa pormulasyon ni Aristotle. Napagtanto ni Galileo na ang isang katawan na nakapahinga ay hindi lamang ang kahihinatnan ng kawalan ng mga panlabas na puwersa.

Pagkatapos ay idineklara ni Galileo: isang katawan kung saan walang puwersang kumikilos ay maaaring nakapahinga o gumagalaw nang pare-pareho sa isang tuwid na linya. Iyon ay, ang paggalaw sa parehong bilis sa isang tuwid na landas, mula sa punto ng view ng pisika, ay katumbas ng isang estado ng pahinga.

Ano ang estado ng pahinga?

Sa buhay, ang katotohanang ito ay napakahirap na obserbahan, dahil palaging may frictional force na pumipigil sa mga bagay at bagay na umalis sa kanilang mga lugar. Ngunit kung maiisip mo ang isang walang katapusang mahaba, ganap na madulas at makinis na roller kung saan nakatayo ang katawan, magiging malinaw na kung bibigyan mo ang katawan ng isang salpok, ang katawan ay kikilos nang walang hanggan at sa isang tuwid na linya.

Sa katunayan, dalawang puwersa lamang ang kumikilos sa katawan: gravity at ang puwersa ng reaksyon sa lupa. Ngunit sila ay matatagpuan sa parehong tuwid na linya at nakadirekta laban sa isa't isa. Kaya, ayon sa prinsipyo ng superposisyon, mayroon tayo na ang kabuuang puwersa na kumikilos sa naturang katawan ay zero.

Gayunpaman, ito ay isang perpektong kaso. Sa buhay, ang puwersa ng alitan ay nagpapakita mismo sa halos lahat ng mga kaso. Ginawa ni Galileo mahalagang pagtuklas, equating ang estado ng pahinga at paggalaw sa isang pare-pareho ang bilis sa isang tuwid na linya. Ngunit ito ay hindi sapat. Ito ay lumabas na ang kundisyong ito ay hindi natutugunan sa lahat ng mga kaso.

Ang isyung ito ay nilinaw ni Isaac Newton, na nagbubuod ng pananaliksik ni Galileo at sa gayon ay bumalangkas ng Unang Batas ni Newton.

Ang unang batas ni Newton: kami mismo ang bumalangkas nito

Mayroong dalawang pormulasyon ng unang batas ni Newton: ang makabago at ang pormulasyon mismo ni Isaac Newton. Sa orihinal na bersyon, ang unang batas ni Newton ay medyo hindi tumpak, at modernong bersyon sa mga pagtatangka na itama ang kamalian na ito ay naging lubhang nakalilito at samakatuwid ay hindi nagtagumpay. Well, dahil ang katotohanan ay palaging nasa malapit, susubukan naming hanapin ito "malapit" at alamin kung ano ang batas na ito.

Makabagong pagbabalangkas parang ganito: "May mga ganitong sistema ng sanggunian, na tinatawag na inertial, na nauugnay kung saan ang isang materyal na punto, sa kawalan ng mga panlabas na impluwensya, ay nagpapanatili ng magnitude at direksyon ng bilis nito nang walang katiyakan".

Mga inertial na sistema ng sanggunian

Ang mga inertial reference system ay ang mga kung saan natutugunan ang batas ng inertia. Ang batas ng pagkawalang-galaw ay ang mga katawan ay nagpapanatili ng kanilang bilis na hindi nagbabago kung hindi sila kikilos ng ibang mga katawan. Ito ay lumalabas na napaka-hindi natutunaw, hindi maintindihan at nakapagpapaalaala sa isang nakakatawang sitwasyon kapag ang tanong na: "Nasaan ito "dito"?" Sumasagot sila: "Narito," at sa susunod na lohikal na tanong: "Nasaan ang "dito"?" Sagot nila: "Narito na." Langis ng mantikilya. Isang mabisyo na bilog.

Sariling pormulasyon ni Newton ito ba: "Ang bawat katawan ay patuloy na pinananatili sa isang estado ng pahinga o pare-pareho at rectilinear na paggalaw hanggang at maliban kung ito ay pinilit ng inilapat na pwersa na baguhin ang estado na iyon.".

Gayunpaman, sa pagsasagawa ng batas na ito ay hindi palaging sinusunod. Madali mo itong ma-verify. Kapag ang isang tao ay nakatayo nang hindi hinahawakan ang mga handrail sa isang gumagalaw na bus, at ang bus ay biglang nagpreno, ang tao ay nagsimulang umusad na may kaugnayan sa bus, bagaman walang nakikitang puwersa ang pumipilit sa kanya na gawin ito.

Iyon ay, may kinalaman sa bus, ang unang batas ni Newton sa orihinal nitong pagbabalangkas ay hindi nasiyahan. Malinaw, ito ay nangangailangan ng paglilinaw. Ang paglilinaw ay ang pagpapakilala ng mga inertial reference system. Iyon ay, tulad ng mga sistema ng sanggunian kung saan nasiyahan ang unang batas ni Newton. Hindi ito lubos na malinaw, kaya't subukan nating isalin ang lahat ng ito sa wika ng tao.

Inertial at non-inertial reference system

Ang pag-aari ng pagkawalang-kilos ng anumang katawan ay tulad na hangga't ang katawan ay nananatiling nakahiwalay sa iba pang mga katawan, ito ay mapanatili ang kanyang estado ng pahinga o pare-parehong linear na paggalaw. Ang ibig sabihin ng "Isolated" ay hindi konektado sa anumang paraan, walang katapusan na malayo sa ibang mga katawan.

Sa pagsasagawa, nangangahulugan ito na kung sa aming halimbawa ay hindi kami sumasakay ng bus bilang reference system, ngunit ilang bituin sa labas ng Galaxy, kung gayon ang unang batas ni Newton ay ganap na ganap na nasiyahan para sa isang pabaya na pasahero na hindi humahawak sa mga handrail. Kapag nagpreno ang isang bus, magpapatuloy ito sa unipormeng galaw nito hanggang sa kumilos dito ang ibang mga katawan.

Ang ganitong mga sistema ng sanggunian, na sa anumang paraan ay hindi konektado sa katawan na isinasaalang-alang, at hindi nakakaapekto sa pagkawalang-kilos ng katawan sa anumang paraan, ay tinatawag na inertial. Para sa gayong mga sistema ng sanggunian, ang unang batas ni Newton sa orihinal nitong pagbabalangkas ay ganap na wasto.

Yan ang batas mabubuo ng ganito: sa mga sistema ng sanggunian na ganap na hindi konektado sa katawan, ang bilis ng katawan sa kawalan ng panlabas na impluwensya ay nananatiling hindi nagbabago. Sa ganitong porma, ang unang batas ni Newton ay madaling maunawaan.

Ang problema ay na sa pagsasagawa ay napakahirap isaalang-alang ang galaw ng isang partikular na katawan na may kaugnayan sa naturang mga sistema ng sanggunian. Hindi tayo maaaring lumipat sa isang bituin na walang hanggan at mula doon ay magsagawa ng anumang mga eksperimento sa Earth.

Samakatuwid, ang Earth ay karaniwang madalas na kinuha bilang isang sistema ng sanggunian, bagaman ito ay konektado sa mga katawan na matatagpuan dito at nakakaapekto sa mga katangian ng kanilang paggalaw. Ngunit para sa maraming mga kalkulasyon ang pagtatantya na ito ay sapat. Samakatuwid, ang mga halimbawa ng mga inertial reference system ay maaaring ituring na Earth para sa mga katawan na matatagpuan dito, solar system para sa mga planeta nito at iba pa.

Ang unang batas ni Newton ay hindi inilarawan sa pamamagitan ng anumang pisikal na pormula, ngunit ang iba pang mga konsepto at kahulugan ay nagmula rito. Sa esensya, ang batas na ito ay nagpopostulate ng pagkawalang-kilos ng mga katawan. At sa gayon lumalabas na para sa mga inertial reference system ang batas ng inertia ay ang unang batas ni Newton.

Higit pang mga halimbawa ng mga inertial system at ang unang batas ni Newton

Kaya, halimbawa, kung ang isang cart na may bola ay gumagalaw muna sa isang patag na ibabaw, sa isang pare-pareho ang bilis, at pagkatapos ay nagmaneho papunta sa isang mabuhangin na ibabaw, pagkatapos ay ang bola sa loob ng cart ay magsisimulang bumilis, kahit na walang pwersa na kumikilos dito (sa sa katunayan, ginagawa nila, ngunit sila ang halaga ay zero).

Nangyayari ito dahil ang reference system (sa kasong ito, ang cart) sa sandaling ito ay tumama sa mabuhangin na ibabaw ay nagiging non-inertial, iyon ay, huminto ito sa paggalaw sa isang pare-pareho ang bilis.

Ang Unang Batas ni Newton ay gumagawa ng mahalagang pagkakaiba sa pagitan ng inertial at non-inertial na mga frame ng sanggunian. Ang isa pang mahalagang kahihinatnan ng batas na ito ay ang katotohanan na ang acceleration, sa isang kahulugan, ay mas mahalaga kaysa sa bilis ng katawan.

Dahil ang paglipat sa isang pare-pareho ang bilis sa isang tuwid na linya ay ang pagiging pahinga. Sapagkat ang paggalaw na may acceleration ay malinaw na nagpapahiwatig na ang alinman sa kabuuan ng mga puwersa na inilapat sa katawan ay hindi katumbas ng zero, o ang frame ng sanggunian mismo kung saan matatagpuan ang katawan ay hindi inertial, iyon ay, ito ay gumagalaw nang may pagbilis.

Bukod dito, ang acceleration ay maaaring maging positibo (ang katawan ay bumibilis) o negatibo (ang katawan ay bumagal).

Kailangan mo ng tulong sa iyong pag-aaral?

Nakaraang paksa: Relativity ng paggalaw: konsepto at mga halimbawa
Susunod na paksa: Ang pangalawang batas ni Newton: formula at kahulugan + maliit na karanasan