физика

Предмет: Физика

Учитель: Казиев Н.Б

Тема: Основные понятия динамики

Динамикой называют раздел механики, который изучает движение тел, исходя из причин, влияющих на характер движения.

Причиной, определяющей характер движения и его изменения, является взаимодействия тел.

Взаимодействие может осуществляться как

·         Полевое взаимодействие (между удаленными объектами, например, гравитационное);

·         Контактное взаимодействие (при непосредственном контакте тел, например, трение).

Полевое взаимодействие обусловлено способностью тел изменять свойства окружающего пространства. Изменение свойств выражается в том, что на удаленные тела действует сила. Принято говорить, что тело создает вокруг себя поле, которое действует на другие тела. Реально любое взаимодействие является полевым, но некоторые взаимодействия становятся значительными только при сильном сближении (при контакте), в этом случае удобно пользоваться предоставлениями о контактном взаимодействии.

По природе все взаимодействия принято делить на четыре типа:

·         гравитационное,

·         слабое,

·         электромагнитное,

·         сильное.

Гравитационное взаимодействие (ГВ) присуще всем без исключения материальным объектам во Вселенной и проявляется на притяжении тел друг к другу. ГВ действует на больших расстояниях, но в микромире ничтожно мало.

Электромагнитное взаимодействие (ЭМВ) определяет структуру, атомов и молекул всех веществ. Поэтому определенным образом именно электромагнитное взаимодействие определяет свойства и поведение всех окружающих нас тел. ЭМВ, как и ГВ, обладает свойством дальнодействия.

Сильное взаимодействие (СВ) определяет структуру фундаментальных частиц материи – протонов и нейтронов, а так же структуру ядер атомов. Характерной особенностью СВ является то, что оно проявляется только на очень малых расстояниях порядка размеров ядер атомов 10^-15 м.

Слабое взаимодействие (СлВ) – специфическое взаимодействие, присущее элементарным частицам и обуславливающее их распады. При низких энергиях СлВ имеет короткодействующий характер с радиусом действия порядка 10^-17 м. При очень больших энергиях (доступных только на новейших ускорителях) СлВ объединяется с ЭМВ в единое электрослабое взаимодействие.

Одной из важных задач, решить которую пытаются физики-теоретики, является создание единой теории, объединяющей все взаимодействия, существующие в природе, в одно. На этом пути достигнуты определенные успехи. С прошлого века мы пользуемся единой теорией электромагнетизма, тогда как первоначально электрические и магнитные взаимодействия рассматривались как имеющие разную природу. В начале 60-х годов нашего века была разработана электрослабая теория, объединившая слабое и электромагнитное взаимодействия, рассматриваемые в ней как два разных проявления одного более фундаментального электрослабого взаимодействия. Несмотря на успехи электрослабой теории и ряда других теорий, единой теории поля в настоящее время не существует.

2.      Законы Ньютона

2.1 Первый закон Ньютона

В основе динамики лежат законы динамики – система трёх взаимосвязанных законов Ньютона, сформулированных им в 1687 году.

Первый закон Ньютона: Существуют такие системы отчета, относительно которых материальная точка будет двигаться прямолинейно и равномерно или находиться в состоянии покоя, если на нее не действуют силы, или сумма действующих сил равна нулю.

Любое тело препятствует изменению своего движения – такая способность называется инерционностью, и первый закон Ньютона часто называют законом инерции.

Первый закон Ньютона определяет и утверждает существования систем отсчета, называемых инерциальными системами отсчета (ИСО), в которых первый закон Ньютона выполняется по определению.

Инерциальная система отсчета – система отсчета, относительно которой свободная материальная точка не подверженная взаимодействию других тел, движется равномерно и прямолинейно.

Неинерциальная система отсчета – система отсчета, движущаяся относительно инерциальной системы отсчета с ускорением.

Опытным путем установлено, что инерциальной можно считать гелиоцентрическую (звездную) систему отсчета (начало координат находится в центре Солнца, а оси проведены в направлении определенных звезд). Система отсчета, связанная с Землёй, строго говоря, неинерциальна, однако эффекты, обусловленные её неинерциальностью (Земля вращается вокруг собственной оси и вокруг Солнца), при решении многих задач пренебрежимо малы, и в этих случаях её можно считать инерциальной.

2.2 Второй закон Ньютона

Из опыта известно, что при одинаковых воздействиях различные тела неодинаково изменяют скорость своего движения, т. е., иными словами, приобретают различные ускорения. Ускорение зависит не только от величины воздействия, но и от свойств самого тела (от его массы).

Масса тела – физическая величина, являющаяся одной из основных характеристик материи, определяющая ее инерционные (инертная масса) и гравитационные (гравитационная масса) свойства. В настоящее время можно считать доказанным, что инертная и гравитационная массы равны друг другу (с точностью, не меньшей 10^-12 их значения)

[m] = [кг ]

Измерить массу тела, значит сравнить её с массой тела-эталона, принятой за единицу. В качестве такого эталона массы, как известно, принят 1 килограмм – это масса платиноиридиевого цилиндра, который хранится в Международном бюро мер и весов в Севре, близ Парижа во Франции.

Чтобы описывать воздействия, упоминаемые в первом законе Ньютона, вводят понятие силы. Под действием сил тела либо изменяют скорость движения, т. е., приобретают ускорения (динамическое проявление сил), либо деформируются, т. е., изменяют свою форму и размеры (статическое проявление сил). В каждый момент времени сила характеризуется числовым значением, направлением в пространстве и точкой приложения. Итак, сила – векторная величина, являющаяся мерой механического воздействия на тело со стороны других тел или полей, в результате которого тело приобретает ускорение или изменяет свою форму и размеры.

[F] = [Н]

Важным законом динамики материальной точки является второй закон Ньютона, который указывает, как меняется движение тел под действием приложенных к нему сил.

Второй закон Ньютона: Если на материальную точку действует сила , то материальная точка движется с ускорением , которое совпадает по направлению с силой и по величине прямо пропорционально величине силы F.

~

В качестве коэффициента пропорциональности используется масса тела.

С учетом массы второй закон Ньютона можно записать:

или

Поскольку , то , мы учли, что в нерелятивистской механике , и внесли массу под знак производной.

Физическая величина, численно равная произведению массы тела на его скорость называется импульсом или количеством движения.

,

Используя импульс, запишем второй закон в более общем виде, который получен И. Ньютоном.

Общий вид второго закона Ньютона (закон Ньютона в импульсной форме):

Исходя из этого выражения, скорость изменения импульса материальной точки равно силе, действующей на материальную точку.

Если на материальную точку действует несколько сил, то является результирующей сил. Второй закон Ньютона, как все законы Ньютона, справедлив только в ИСО.

По второму закону Ньютона в инерциальной системе отсчета ускорение тела равно отношению действующей на это тело силы к массе тела: .

По определению, среднее ускорение тела равно отношению изменению скорости тела ко времени, за которое это изменение произошло: .

Подставляя ускорение во второй закон Ньютона, получаем:

Импульсом силы называется векторная физическая величина, равная произведению силы на интервал времени её действия: .

Импульс силы в системе СИ измеряется -

2.3 Третий закон Ньютона

Третий закон Ньютона (закон действия и противодействия): Два тела взаимодействуют друг с другом силами, равными по величине и противоположно направленными:

2.      Динамика поступательного движения системы

материальных точек и твёрдого тела.

Совместное применение второго и третьего законов Ньютона позволяет описать динамику поступательного движения системы материальных точек и твёрдого тела.

Механическая система – совокупность тел, движение которых будет рассматриваться.

Силы взаимодействия между телами системы называются внутренними силами.

Тело (или частицы), не входящие в состав рассматриваемой системы, называют внешними телами, а силы, с которыми они действуют на тела системы – внешними силами .

Замкнутой системой взаимодействующих тел называется такая система, для которой векторная сумма действующих на неё внешних сил (то есть равнодействующая внешних сил) равная нулю: или, другими словами, система тел называется замкнутой, если на неё не действуют внешние силы или действие этих сил компенсировано.