Законы сохранения импульса и механической энергии, их связь со свойствами пространства и времени

Урок 8.
Законы сохранения импульса и механической энергии, их связь со свойствами пространства и времени

Павлодарский высший колледж управления

Преподаватель физики: Белозерова М.Ю.

Сабақтың мақсаты / Цели урока

ознакомиться с основными законами сохранения;
выяснить их связь со свойствами и пространством;
формирование умений объяснять результаты физических опытов.

Законы сохранения – это раздел механики, изучающий физические величины; импульс и энергию, а также законы их сохранения.
Имеют важное значение в механике в частности и в физике вообще.
Позволяют сравнительно просто без рассмотрения действующих на тела сил и без прослеживания движения тел системы решать ряд практически важных задач.
Были открыты в механике, но в дальнейшем стали играть огромную роль во всей физике.
Следует понимать, что эти законы выполняются только в инерциальных системах отсчета. В самом деле, при выводе этих законов пользовались вторым и третьим законами Ньютона, а последние применимы только в инерциальных системах.
Напомним также, что импульс и момент импульса сохраняются в том случае, если систему можно считать замкнутой (сумма всех внешних сил, и собственно, всех моментов сил, равна нулю).
Для сохранения же энергии тела условия замкнутости недостаточно – тело должно быть еще и адиабатически изолированным (т.е. не участвовать в теплообмене).

ПРИМЕНЯЮТСЯ

даже тогда когда нельзя применять законы механики Ньютона !

Описание движения электронов в атомах!!

К телам обычных размеров и к космическим телам и элементарным частицам.

ВСЕОБЩНОСТЬ = их применимость ко всем явлениям природы!!!

Во всей истории развития физики, законы сохранения оказались, чуть ли не единственными законами, сохранившими свое значение при замене одних теорий другими. Эти законы тесно связаны с основными свойствами пространства и времени.

В основе закона сохранения энергии лежит однородность времени, то есть считается что все моменты времени равноправны и мы можем любой момент взять за начало отсчета времени.

В основе закона сохранения импульса лежит однородность пространства, т. е. с тем, что все точки пространства равноправны.
Это значит, что перенос (сдвиг) в пространстве любой механической системы никак не влияет на процессы внутри нее.

В основе закона сохранения момента импульса лежит изотропия пространства, то есть считается, что свойства пространства одинаковы по всем направлениям.

Законы сохранения не дают нам прямых указаний на то, как должен идти тот или иной процесс. Они говорят лишь о том, какие процессы запрещены и потому в природе не происходят.
Таким образом, законы сохранения проявляются как принципы запрета: любое явление, при котором не выполняются хотя бы один из законов сохранения, запрещено, и в природе такие явления никогда не наблюдаются.
Всякое явление, при котором не нарушается ни один из законов сохранения, в принципе может происходить.
Рассмотрим следующий пример. Может ли покоящееся тело за счет внутренней энергии начать двигаться? Этот процесс не противоречит закону сохранения энергии. Нужно лишь, чтобы возникающая кинетическая энергия точно равнялась убыли внутренней энергии. На самом деле такой процесс никогда не происходит, ибо он противоречит закону сохранения импульса. Раз тело покоилось, то его импульс был равен нулю. А если оно станет двигаться, то его импульс сам собой увеличится, что невозможно. Поэтому внутренняя энергия тела не может превратиться в кинетическую, если тело не распадётся на части.

Никакой специальной единицы измерения для импульса не существует. Единицей измерения импульса является:
[p] = (м∙кг)/с

Рассмотрим следующую ситуацию. Обозначим:

Получаем, что изменение импульса материальной точки пропорционально приложенной к ней силе и имеет такое же направление как и сила.

При взаимодействии тел импульс одного тела может частично или полностью передаваться другому телу. Если на систему тел не действуют внешние силы со стороны других тел, то такая система называется замкнутой.
В замкнутой системе векторная сумма импульсов всех тел, входящих в систему, остается постоянной при любых взаимодействиях тел этой системы между собой - этот фундаментальный закон природы называется законом сохранения импульса. Он является следствием из второго и третьего законов Ньютона.

Математическая запись закона сохранения импульса для двух тел

В замкнутой системе, векторная сумма импульсов всех тел, входящих в систему, остается постоянной при любых взаимодействиях тел этой системы между собой.

Выполняется в замкнутых системах.
Позволяет простым путём (не рассматривая силы) решить основную задачу механики.
Применим к телам обычных размеров, к космическим телам, к элементарным частицам.
Доказывает, что механическое движение не может бесследно исчезнуть или возникнуть из ничего.
Лежит в основе теории движения тел под действием реактивной силы.

Выбрать систему отсчета и систему взаимодействующих тел.
Определить импульсы всех тел системы до и после взаимодействия.
Нарисовать рисунок, на котором обозначить направления оси координат, векторов скорости тел до и после взаимодействия.
Написать закон сохранения импульса в векторном виде.
Написать закон сохранения в проекции на координатные оси (скалярном).
Из полученного уравнения выразить неизвестную величину и найти её значение.

Ударом (или столкновением) принято называть кратковременное взаимодействие тел, в результате которого их скорости испытывают значительные изменения.

Абсолютно упругим ударом называется столкновение, при котором сохраняется механическая энергия тела .

















При упругом ударе суммарная механическая энергия тел до удара равна суммарной механической энергии после удара.

Абсолютно неупругим ударом называют такое ударное взаимодействие, при котором механическая энергия не сохраняется.









Тела соединяются (слипаются) друг с другом и движутся дальше как одно тело.



Энергия частично или полностью переходит во внутреннюю энергию тел (идет нагревание).

Если тела, составляющие замкнутую механическую систему, взаимодействуют между собой только посредством сил тяготения и упругости, то работа этих сил равна изменению потенциальной энергии тел, взятому с противоположным знаком: A = –(Eр2 – Eр1).

По теореме о кинетической энергии эта работа равна изменению кинетической энергии тел:

Следовательно

Закон сохранения энергии: в замкнутой системе тел полная энергия не изменяется при любых взаимодействиях внутри этой системы тел. Закон накладывает ограничения на протекание процессов в природе. Природа не допускает появление энергии ниоткуда и исчезновение в никуда. Возможно оказывается только так: сколько одно тело теряет энергии, столько другое приобретает; сколько убывает одного вида энергии, столько к другому виду прибавляется.

Составить опорный конспект согласно презентации к уроку 8 «Законы сохранения импульса и механической энергии, их связь со свойствами пространства и времени»
Прочесть «Физика 10 класс. 1 часть» стр 109 - 133.
Знать определения, формулы описывающие законы сохранения

1. Учебник "Физика 10 класс. 1 часть" Б.Кронгарт, Д.Казахбаева, О.Иманбеков, Т.Қыстаубаев - Мектеп. 2019 - https://cloud.mail.ru/public/4rxP/52U9MwvYz.

2. "Физика в таблицах и схемах" О.В. Янчевская - СПб. 2008 - https://cloud.mail.ru/public/3M2W/4qGuf1ji4