Vispirms inerciālās atskaites sistēmas. Kādas atskaites sistēmas sauc par inerciālām? Inerciālās atskaites sistēmas piemēri

Pirmais Ņūtona likums postulē tādas parādības klātbūtni kā ķermeņu inerce. Tāpēc to sauc arī par inerces likumu. Inerce - tā ir ķermeņa kustības ātruma saglabāšanas parādība (gan lielumā, gan virzienā), kad uz ķermeni neiedarbojas nekādi spēki. Lai mainītu kustības ātrumu, ir nepieciešams iedarboties uz ķermeni ar zināmu spēku. Protams, vienāda lieluma spēku iedarbības rezultāts uz dažādiem ķermeņiem būs atšķirīgs. Tādējādi tiek uzskatīts, ka ķermeņiem ir inerce. Inerce ir ķermeņu īpašība pretoties pašreizējā stāvokļa maiņai. Inerces vērtību raksturo ķermeņa masa.

Inerciālā atskaites sistēma

Pirmais Ņūtona likums nosaka (ko var pārbaudīt eksperimentāli ar dažādu precizitātes pakāpi), ka inerciālās sistēmas patiešām pastāv. Šis mehānikas likums nostāda inerciālās atskaites sistēmas īpašā, priviliģētā stāvoklī.

Atskaites ietvarus, kuros ir izpildīts Ņūtona pirmais likums, sauc par inerciāliem.

Inerciālās sistēmas atsauce- tās ir sistēmas, attiecībā uz kurām materiālais punkts, ja uz to nav ārējas ietekmes vai to savstarpējas kompensācijas, atrodas miera stāvoklī vai pārvietojas vienmērīgi un taisni.

Ir bezgalīgi daudz inerciālo sistēmu. Atskaites sistēma, kas saistīta ar vilcienu, kas pārvietojas ar nemainīgu ātrumu pa taisnu sliežu ceļa posmu, ir arī inerciāls rāmis (aptuveni), tāpat kā rāmis, kas saistīts ar Zemi. Visi inerciālie atskaites kadri veido kadru klasi, kas pārvietojas viens pret otru vienmērīgi un taisni. Jebkura ķermeņa paātrinājumi dažādos inerciālajos rāmjos ir vienādi.

Kā ko iestatīt šī sistēma atsauce ir inerciāla? To var izdarīt tikai pieredze. Novērojumi liecina, ka ar ļoti augstu precizitātes pakāpi heliocentrisko rāmi var uzskatīt par inerciālu atskaites sistēmu, kurā koordinātu izcelsme ir saistīta ar Sauli, un asis ir vērstas uz noteiktām "fiksētām" zvaigznēm. Atskaites rāmji, kas stingri saistīti ar Zemes virsmu, stingri runājot, nav inerciāli, jo Zeme pārvietojas orbītā ap Sauli un tajā pašā laikā griežas ap savu asi. Tomēr, aprakstot kustības, kurām nav globāla (t.i., pasaules) mēroga, ar Zemi saistītās atskaites sistēmas var uzskatīt par inerciālām ar pietiekamu precizitāti.

Atskaites ietvari, kas pārvietojas vienmērīgi un taisni attiecībā pret jebkuru inerciālu atskaites sistēmu, arī ir inerciāli.

Galileo konstatēja, ka nav iespējams noteikt, vai šī sistēma atrodas miera stāvoklī vai kustas vienmērīgi un taisni, veicot jebkādus mehāniskus eksperimentus, kas iestatīti inerciālā atskaites sistēmā. Šo apgalvojumu sauc par Galileja relativitātes principu vai mehānisko relativitātes principu.

Šo principu vēlāk izstrādāja A. Einšteins, un tas ir viens no speciālās relativitātes teorijas postulātiem. Inerciālajiem atskaites sistēmām fizikā ir ārkārtīgi liela nozīme, jo saskaņā ar Einšteina relativitātes principu jebkura fizikas likuma matemātiskā izteiksme katrā inerciālajā atskaites sistēmā ir vienāda. Nākotnē izmantosim tikai inerciālas sistēmas (par to katru reizi neminot).

Atsauces ietvarus, kuros Ņūtona pirmais likums nav izpildīts, sauc par neinerciāliem.

Šādas sistēmas ietver jebkuru atskaites sistēmu, kas pārvietojas ar paātrinājumu attiecībā pret inerciālo atskaites sistēmu.

Ņūtona mehānikā ķermeņu mijiedarbības likumi ir formulēti inerciālo atskaites sistēmu klasei.

Mehāniska eksperimenta piemērs, kurā izpaužas ar Zemi saistītas sistēmas neinercialitāte, ir Fuko svārsta uzvedība. Tā sauc masīvu bumbiņu, kas piekārta uz pietiekami gara pavediena un rada nelielas svārstības ap līdzsvara stāvokli. Ja sistēma, kas savienota ar Zemi, būtu inerciāla, Fuko svārsta svārstību plakne attiecībā pret Zemi paliktu nemainīga. Faktiski svārsta šūpošanās plakne griežas, pateicoties Zemes rotācijai, un svārsta trajektorijas projekcija uz Zemes virsmas izskatās pēc rozetes (1. att.).

Par to, ka ķermenis tiecas saglabāt nevis nekādas kustības, proti, taisnvirziena, liecina, piemēram, sekojošais eksperiments (2. att.). Bumba, kas virzās taisni pa līdzenu horizontālu virsmu, saduroties ar šķērsli, kam ir izliekta forma, ir spiesta kustēties lokā šī šķēršļa ietekmē. Taču, kad bumba sasniedz šķēršļa malu, tā pārstāj kustēties izliektajā virzienā un atkal sāk kustēties taisnā līnijā. Apkopojot iepriekš minēto (un līdzīgu) novērojumu rezultātus, varam secināt, ka tad, ja konkrēto ķermeni neietekmē citi ķermeņi vai to darbības tiek savstarpēji kompensētas, šis ķermenis atrodas miera stāvoklī vai tā ātrums paliek nemainīgs attiecībā pret atskaites sistēmu. saistīts ar Zemes virsmu.

6. jautājums:

Var baidīties, ka lielākajai daļai lasītāju jau ir apnikusi teorētiskā spriešana un viņi prasīs dot konkrēts piemērs inerciāla sistēma dabā. Mēģināsim iespēju robežās izpildīt viņu vēlmi. Apskatīsim konkrētu piemēru: vai LTT ir Zemes inerciāla sistēma? Katrs skolēns uz to sacīs: “Visi piemēri, ko stundā sniedz fizikas skolotājs, skaidrojot Ņūtona likumus, attiecas uz ķermeņu kustību uz Zemes. Es to saprotu tā, ka visu ķermeņu kustība uz Zemes notiek saskaņā ar Ņūtona likumiem. Tāpēc Zeme ir inerciāla sistēma.

Tomēr šis secinājums nav precīzs. Lai to redzētu, garīgi pārcelsimies uz Parīzes Panteonu, kur 1851. gadā savu slaveno pieredzi demonstrēja Francijas Zinātņu akadēmijas loceklis Leons Fuko.

No Panteona kupola ir piekārts 67 metrus garš kabelis, kuram ir piestiprināts vara svars, kas sver 28 Kilograms. Šis gigantiskais svārsts ir iestatīts šūpošanai. Pēc vairākām svārstībām atklājas pārsteidzoša parādība: plakne, kurā svārsts šūpojas, sāk lēnām griezties. Kāpēc? Fuko eksperimenta rezultātu skaidroja ar Zemes griešanos ap savu asi. Zeme griežas, bet svārsta šūpošanās plakne nemainās - tas noved pie svārsta svārstību plaknes rotācijas attiecībā pret zemes virsmu. Mēs pilnībā piekrītam šim skaidrojumam, tikai mēs to izteiksim nedaudz savādāk: Zeme nav inerciāla sistēma. Svārsta svārstību plakne griežas attiecībā pret Zemi, taču nav iespējams atrast nevienu ķermeni, kas būtu šo rotāciju izraisošā spēka avots. Šajā gadījumā paātrinājums (rotācija attiecas uz paātrinātām kustībām) notiek bez reāla spēka ietekmes. Inerciālās sistēmās, kur ir spēkā Ņūtona likumi, šādas parādības nav iespējamas.

Zemi par inerciālu sistēmu var uzskatīt tikai aptuveni; citiem vārdiem sakot, Zemi par inerciālu sistēmu varam uzskatīt tikai tādu procesu aprakstīšanai, uz kuriem tās rotācijai praktiski nav manāmas ietekmes. Lielākā daļa parādību, kas mūs ieskauj pēc savas būtības, ir tieši tādas. Tāpēc praktiskajā dzīvē mēs varam droši piemērot Ņūtona likumus kustībām uz Zemes.

To, ka Zeme nav inerciāla sistēma, apstiprina arī citas parādības. 1802. gadā Hamburgā tika veikts eksperiments, kurā no 76 augstuma m smags ķermenis nokrita zemē. Izrādījās, ka ķermenis nav nokritis tieši uz to iedarbojošā gravitācijas spēka virzienā, bet gan novirzījies gandrīz 1 cm uz austrumiem. To var izskaidrot tikai ar to, ka Zeme ir neinerciāla sistēma.

1857. gadā krievu akadēmiķis Kārlis Bērs iedibināja labi zināmo upju krastu erozijas likumu: upēm, kas tek pa meridiānu ziemeļu puslodē, labais krasts ir augsts un kreisais krasts ir zems, dienvidu puslodē, uz upes krasta erozijas. pretēji, kreisais krasts ir augsts un labais krasts ir zems. Šis modelis ir īpaši izteikts lielajās upēs. Augsts labais krasts ir Nīlai, Obai, Irtišai, Ļenai, Volgai, Donavai, Dņeprai, Donai uc Kreisais krasts ir augstāks par labo krastu pie tādām dienvidu puslodes upēm kā Parana un Paragvaja. Tas izskaidrojams tikai ar to, ka upju ūdeņi, kas plūst pa meridiāniem ziemeļu puslodē, novirzās pa labi (dienvidu puslodē attiecīgi pa kreisi), izskalojot labo krastu, bet kreiso krastu. veidojas no mazgātām smiltīm, kļūst slīps.

Kāpēc upēm, kas plūst pa meridiānu, vajadzētu novirzīties uz sāniem? Tā paša iemesla dēļ svārsta plakne griežas un brīvi krītošs ķermenis novirzās. Ģeogrāfs atbildēs, ka visas šīs parādības ir saistītas ar Zemes rotāciju ap savu asi. Fiziķis paskaidros, ka tas izsaka Zemes kā atskaites ķermeņa neinercialitāti. Zeme griežas attiecībā pret inerciālajām sistēmām.

Inerciālas sistēmas atrašana principā nav grūta: jums vienkārši jāatrod atskaites sistēma, kurā precīzi darbojas Ņūtona likumi. Tomēr praksē tas nemaz nav tik vienkārši. Inerciāla sistēma var būt tikai sistēma, kas saistīta ar brīvu ķermeni. Dabā, kā jau minēts, nē brīvie ķermeņi; visi ķermeņi mijiedarbojas ar citiem ķermeņiem, lai gan šī mijiedarbība var būt patvaļīgi maza. Tāpēc dabā nav iespējams norādīt konkrētu inerciālu sistēmu, taču vienmēr var atrast sistēmu, kuru, pētot konkrēto problēmu, var uzskatīt par inerciālu ar pietiekamu precizitāti praksei. vēlamo sistēmu vienmēr jāizvēlas tā, lai parādības tās neinercialitātes dēļ būtu mazākas par izmantotā kļūda mērinstrumenti. Kā jau atzīmējām, aprakstot "vairākumu zemes kustības mūsu planētu var uzskatīt par inerciālu sistēmu. Fuko eksperimentā, kā arī pētot Zemes kustību, inerciālā sistēma būtu jāsaista ar Sauli. Saules kustību var aprakstīt inerciālā rāmī, kas saistīts ar apkārtējām zvaigznēm (pieņem, ka zvaigznes ir praktiski nekustīgas), un, pētot Galaktikas rotāciju, inerciālais rāmis ir jāsaista ar tās masas centru. galaktika.

Jūsu uzmanībai piedāvājam video nodarbību, kas veltīta tēmai “Inerciālie atskaites rāmji. Pirmais Ņūtona likums, kas iekļauts skolas fizikas kursā 9. klasei. Stundas sākumā skolotājs atgādinās par izvēlētās atskaites sistēmas nozīmi. Un tad viņš runās par izvēlētās atskaites sistēmas pareizību un iezīmēm, kā arī izskaidros terminu "inerce".

Iepriekšējā nodarbībā mēs runājām par to, cik svarīgi ir izvēlēties atskaites sistēmu. Atcerieties, ka trajektorija, nobrauktais attālums un ātrums būs atkarīgi no tā, kā mēs izvēlēsimies CO. Ir vairākas citas funkcijas, kas saistītas ar atsauces sistēmas izvēli, un mēs par tām runāsim.

Rīsi. 1. Slodzes krišanas trajektorijas atkarība no atskaites sistēmas izvēles

Septītajā klasē jūs mācījāties jēdzienus "inerce" un "inerce".

Inerce - šis parādība, kurā ķermenim ir tendence saglabāt sākotnējo stāvokli. Ja ķermenis kustējās, tam jācenšas saglabāt šīs kustības ātrumu. Un, ja tas ir miera stāvoklī, tas centīsies saglabāt savu miera stāvokli.

inerce - šis īpašumsķermenim, lai saglabātu kustības stāvokli. Inerces īpašību raksturo tāds lielums kā masa. Svars – ķermeņa inerces mērs. Jo smagāks ķermenis, jo grūtāk ir kustēties vai, gluži otrādi, apstāties.

Lūdzu, ņemiet vērā, ka šie jēdzieni ir tieši saistīti ar jēdzienu " inerciālais atskaites rāmis» (ISO), kas tiks apspriests tālāk.

Apsveriet ķermeņa kustību (vai miera stāvokli), ja uz ķermeni neiedarbojas citi ķermeņi. Secinājumu par to, kā ķermenis uzvedīsies citu ķermeņu darbības neesamības gadījumā, pirmais ierosināja Renē Dekarts (2. att.) un turpināja Galileja eksperimentos (3. att.).

Rīsi. 2. Renē Dekarts

Rīsi. 3. Galileo Galilejs

Ja ķermenis kustas un uz to neiedarbojas citi ķermeņi, tad kustība tiks saglabāta, tā paliks taisna un viendabīga. Ja citi ķermeņi neiedarbojas uz ķermeni un ķermenis atrodas miera stāvoklī, tad miera stāvoklis tiks saglabāts. Bet ir zināms, ka miera stāvoklis ir saistīts ar atskaites sistēmu: vienā FR ķermenis atrodas miera stāvoklī, bet citā tas pārvietojas diezgan veiksmīgi un ātri. Eksperimentu un argumentācijas rezultāti liek secināt, ka ne visos atskaites rāmjos ķermenis pārvietosies taisni un vienmērīgi vai būs miera stāvoklī, ja uz to neiedarbojas citi ķermeņi.

Līdz ar to, lai atrisinātu galveno mehānikas problēmu, ir svarīgi izvēlēties tādu atskaites sistēmu, kurā tomēr ir izpildīts inerces likums, kurā ir skaidrs iemesls, kas izraisīja ķermeņa kustības izmaiņas. Ja ķermenis pārvietojas taisnā līnijā un vienmērīgi, ja citi ķermeņi nedarbojas, šāds atskaites rāmis mums būs vēlams, un tas tiks saukts inerciālā atskaites sistēma(ISO).

Aristoteļa viedoklis par kustības cēloni

Inerciālā atskaites sistēma ir ērts modelis, lai aprakstītu ķermeņa kustību un iemeslus, kas izraisa šādu kustību. Pirmo reizi šī koncepcija parādījās, pateicoties Īzakam Ņūtonam (5. att.).

Rīsi. 5. Īzaks Ņūtons (1643-1727)

Senie grieķi iedomājās kustību pavisam savādāk. Iepazīsimies ar aristoteļa skatījumu uz kustību (6. att.).

Rīsi. 6. Aristotelis

Pēc Aristoteļa domām, pastāv tikai viena inerciālā atskaites sistēma – atskaites sistēma, kas saistīta ar Zemi. Visas pārējās atskaites sistēmas, pēc Aristoteļa domām, ir sekundāras. Attiecīgi visas kustības var iedalīt divos veidos: 1) dabiskās, tas ir, tajās, par kurām ziņo Zeme; 2) piespiedu, tas ir, viss pārējais.

Vienkāršākais dabiskās kustības piemērs ir ķermeņa brīvais kritiens uz Zemi, jo Zeme šajā gadījumā piešķir ķermenim ātrumu.

Apsveriet piespiedu kustības piemēru. Tā ir situācija, kad zirgs velk ratus. Kamēr zirgs pieliek spēku, rati kustas (7. att.). Tiklīdz zirgs apstājās, apstājās arī rati. Nav jaudas, nav ātruma. Pēc Aristoteļa domām, spēks ir tas, kas izskaidro ātruma klātbūtni ķermenī.

Rīsi. 7. Piespiedu kustība

Līdz šim daži parastie cilvēki uzskata Aristoteļa viedokli par godīgu. Piemēram, pulkvedis Frīdrihs Krauss fon Zillerguts no “Labā karavīra Šveika piedzīvojumiem pasaules kara laikā” mēģināja ilustrēt principu “Nav jaudas – nav ātruma”: “Kad iznāca viss benzīns,” sacīja pulkvedis, “mašīna bija spiests apstāties. Tas ir tas, ko es redzēju vakar. Un pēc tam viņi joprojām runā par inerci, kungi. Neiet, stāv, nepārvietojas no vietas. Bez benzīna! Nu vai nav smieklīgi?

Tāpat kā mūsdienu šovbiznesā, kur ir fani, vienmēr būs kritiķi. Aristotelim bija arī savi kritiķi. Viņi ieteica viņam veikt šādu eksperimentu: atlaidiet ķermeni, un tas nokritīs tieši zem tās vietas, kur mēs to atlaidām. Dosim piemēru Aristoteļa teorijas kritikai, līdzīgi kā viņa laikabiedru piemēri. Iedomājieties, ka lidojoša lidmašīna izmet bumbu (8. att.). Vai bumba nokritīs tieši zem tās vietas, kur mēs to izlaidām?

Rīsi. 8. Piemēram, ilustrācija

Protams, nē. Bet galu galā tā ir dabiska kustība – kustība, par kuru ziņoja Zeme. Kas tad liek šai bumbai virzīties arvien tālāk un tālāk? Aristotelis atbildēja šādi: fakts ir tāds, ka dabiskā kustība, par kuru Zeme ziņo, ir kritiens taisnā lejā. Bet, pārvietojoties gaisā, bumbu aiznes tās turbulences, un šīs turbulences it kā stumj bumbu uz priekšu.

Kas notiks, ja gaiss tiks noņemts un tiks izveidots vakuums? Galu galā, ja nav gaisa, tad, pēc Aristoteļa, bumbai vajadzētu stingri nokrist zem vietas, kur tā tika izmesta. Aristotelis apgalvoja, ka, ja nav gaisa, tad šāda situācija ir iespējama, bet patiesībā dabā nav tukšuma, nav vakuuma. Un, ja nav vakuuma, nav nekādu problēmu.

Un tikai Galileo Galilejs formulēja inerces principu tādā formā, pie kuras mēs esam pieraduši. Ātruma izmaiņu iemesls ir citu ķermeņu ietekme uz ķermeni. Ja citi ķermeņi uz ķermeni neiedarbojas vai šī darbība tiek kompensēta, tad ķermeņa ātrums nemainīsies.

Par inerciālo atskaites sistēmu varam izteikt šādus argumentus. Iedomājieties situāciju, kad automašīna brauc, tad vadītājs izslēdz dzinēju, un tad automašīna pārvietojas pēc inerces (9. att.). Bet tas ir nepareizs apgalvojums tā vienkāršā iemesla dēļ, ka laika gaitā automašīna apstāsies berzes spēka rezultātā. Tāpēc šajā gadījumā nebūs vienmērīga kustība- trūkst viens no nosacījumiem.

Rīsi. 9. Automašīnas ātrums mainās berzes spēka ietekmē

Apsveriet citu gadījumu: liels, liels traktors pārvietojas ar nemainīgu ātrumu, savukārt priekšā tas ar kausu velk lielu kravu. Šādu kustību var uzskatīt par taisnu un vienmērīgu, jo šajā gadījumā visi spēki, kas iedarbojas uz ķermeni, tiek kompensēti un līdzsvaro viens otru (10. att.). Tādējādi ar šo ķermeni saistīto atskaites sistēmu mēs varam uzskatīt par inerciālu.

Rīsi. 10. Traktors pārvietojas vienmērīgi un taisnā līnijā. Tiek kompensēta visu ķermeņu darbība

Var būt daudz inerciālu atskaites sistēmu. Taču patiesībā šāds atskaites ietvars joprojām ir idealizēts, jo, rūpīgāk izpētot, šādas atskaites sistēmas pilnā nozīmē nav. ISO ir sava veida idealizācija, kas ļauj efektīvi simulēt reālus fiziskos procesus.

Inerciālām atskaites sistēmām ir derīga Galileo formula ātrumu pievienošanai. Ņemiet vērā arī to, ka visas atskaites sistēmas, par kurām mēs runājām iepriekš, zināmā mērā var uzskatīt par inerciālām.

Īzaks Ņūtons bija pirmais, kurš formulēja ISO veltīto likumu. Ņūtona nopelns slēpjas apstāklī, ka viņš pirmais zinātniski pierādīja, ka kustīga ķermeņa ātrums nemainās uzreiz, bet gan kādas darbības rezultātā laika gaitā. Šis fakts veidoja pamatu likuma radīšanai, ko mēs saucam par Ņūtona pirmo likumu.

Pirmais Ņūtona likums : pastāv atskaites sistēmas, kurās ķermenis kustas pa taisnu līniju un vienmērīgi vai atrodas miera stāvoklī, ja uz ķermeni neiedarbojas nekādi spēki vai tiek kompensēti visi spēki, kas iedarbojas uz ķermeni. Šādas atskaites sistēmas sauc par inerciālām.

Citā veidā viņi dažreiz saka: inerciālā atskaites sistēma ir sistēma, kurā tiek izpildīti Ņūtona likumi.

Kāpēc Zeme ir neinerciāls CO. Fuko svārsts

IN lielā skaitā problēmas, ir jāņem vērā ķermeņa kustība attiecībā pret Zemi, savukārt Zemi mēs uzskatām par inerciālu atskaites sistēmu. Izrādās, ka šis apgalvojums ne vienmēr ir patiess. Ja ņemam vērā Zemes kustību attiecībā pret tās asi vai attiecībā pret zvaigznēm, tad šī kustība notiek ar zināmu paātrinājumu. SO, kas pārvietojas ar noteiktu paātrinājumu, nevar uzskatīt par inerci pilnā nozīmē.

Zeme griežas ap savu asi, kas nozīmē, ka visi punkti, kas atrodas uz tās virsmas, nepārtraukti maina sava ātruma virzienu. Ātrums ir vektora lielums. Ja tā virziens mainās, tad parādās kāds paātrinājums. Tāpēc Zeme nevar būt pareizs ISO. Ja mēs aprēķinām šo paātrinājumu punktiem, kas atrodas uz ekvatora (punktiem, kuriem ir maksimālais paātrinājums attiecībā pret punktiem, kas atrodas tuvāk poliem), tad tā vērtība būs . Indekss parāda, ka paātrinājums ir centripetāls. Salīdzinot ar paātrinājumu Brīvais kritiens, paātrinājumu var neņemt vērā un Zemi var uzskatīt par inerciālu atskaites sistēmu.

Tomēr, veicot ilgtermiņa novērojumus, nevajadzētu aizmirst par Zemes rotāciju. To pārliecinoši parādīja franču zinātnieks Žans Bernārs Leons Fuko (11. att.).

Rīsi. 11. Žans Bernārs Leons Fuko (1819-1868)

Fuko svārsts(12. att.) - tas ir milzīgs svars, kas piekārts uz ļoti gara pavediena.

Rīsi. 12. Fuko svārsta modelis

Ja Fuko svārsts tiek izņemts no līdzsvara, tad tas apraksta nākamo trajektoriju, kas nav taisne (13. att.). Svārsta pārvietošanās ir saistīta ar Zemes rotāciju.

Rīsi. 13. Fuko svārsta svārstības. Skats no augšas.

Zemes rotācija notiek virknes dēļ interesanti fakti. Piemēram, ziemeļu puslodes upēs labais krasts parasti ir stāvāks, bet kreisais - maigāks. Dienvidu puslodes upēs - gluži pretēji. Tas viss ir saistīts tieši ar Zemes rotāciju un no tās izrietošo Koriolisa spēku.

Par jautājumu par Ņūtona pirmā likuma formulēšanu

Pirmais Ņūtona likums: ja uz ķermeni neiedarbojas neviens ķermenis vai to darbība ir savstarpēji līdzsvarota (kompensēta), tad šis ķermenis atradīsies miera stāvoklī vai kustēsies vienmērīgi un taisni.

Apskatīsim situāciju, kas mums norādīs, ka šāds Ņūtona pirmā likuma formulējums ir jālabo. Iedomājieties vilcienu ar aizkariem logiem. Šādā vilcienā pasažieris pēc ārpusē esošajiem objektiem nevar noteikt, vai vilciens kustas vai ne. Apskatīsim divus atskaites punktus: FR, kas saistīts ar pasažieri Volodju, un FR, kas saistīts ar novērotāju uz platformas Katja. Vilciens sāk paātrināties, tā ātrums palielinās. Kas notiks ar ābolu uz galda? Tas ripos pretējā virzienā. Katjai būs acīmredzams, ka ābols kustas pēc inerces, bet Volodjai tas būs nesaprotami. Viņš neredz, ka vilciens ir sācis kustību, un pēkšņi uz galda sāk ripot uz tā guļošs ābols. Kā tas var būt? Galu galā, saskaņā ar Ņūtona pirmo likumu, ābolam jāpaliek miera stāvoklī. Tāpēc ir nepieciešams pilnveidot Ņūtona pirmā likuma definīciju.

Rīsi. 14. Ilustrācijas piemērs

Pareizs Ņūtona pirmā likuma formulējums izklausās šādi: ir atskaites sistēmas, kurās ķermenis kustas pa taisnu līniju un vienmērīgi vai atrodas miera stāvoklī, ja uz ķermeni neiedarbojas nekādi spēki vai tiek kompensēti visi spēki, kas iedarbojas uz ķermeni.

Volodja atrodas neinerciālā atskaites sistēmā, un Katja atrodas inerciālā atskaites sistēmā.

Lielākā daļa sistēmu, reālas atskaites sistēmas - neinerciālas. Apsveriet vienkāršu piemēru: sēžot vilcienā, jūs noliekat uz galda kādu ķermeni (piemēram, ābolu). Kad vilciens sāks kustēties, mēs vērosim tādu kuriozu ainu: ābols kustēsies, ripos virzienā, kas ir pretējs vilciena kustībai (15. att.). Šajā gadījumā mēs nevarēsim noteikt, kādi ķermeņi darbojas, liek ābolam kustēties. Šajā gadījumā sistēma tiek uzskatīta par neinerciālu. Bet jūs varat izkļūt no situācijas, ieejot inerces spēks.

Rīsi. 15. Neinerciālas CO piemērs

Cits piemērs: ķermenim pārvietojoties pa ceļa noapaļošanu (16. att.), rodas spēks, kas liek ķermenim novirzīties no taisnvirziena kustības virziena. Šajā gadījumā mums arī jāņem vērā neinerciāla atskaites sistēma, bet, tāpat kā iepriekšējā gadījumā, mēs varam arī izkļūt no situācijas, ieviešot t.s. inerces spēki.

Rīsi. 16. Inerces spēki, pārvietojoties pa noapaļotu ceļu

Secinājums

Atsauces sistēmu ir bezgalīgi daudz, taču lielākā daļa no tām ir tādas, kuras mēs nevaram uzskatīt par inerciālām atskaites sistēmām. Inerciālā atskaites sistēma ir idealizēts modelis. Starp citu, mēs varam pieņemt šādu atskaites sistēmu kā atskaites sistēmu, kas saistīta ar Zemi vai dažiem attāliem objektiem (piemēram, ar zvaigznēm).

Bibliogrāfija

1. Kikoins I.K., Kikoins A.K. Fizika: mācību grāmata 9. klasei vidusskola. - M.: Apgaismība.
2. Peryshkin A.V., Gutnik E.M. Fizika. 9. klase: vispārējās izglītības mācību grāmata. institūcijas / A. V. Peryshkin, E. M. Gutnik. - 14. izd., stereotips. - M.: Bustards, 2009. - 300.
3. Sokolovičs Ju.A., Bogdanova G.S. Fizika: rokasgrāmata ar problēmu risināšanas piemēriem. - 2. izdevums, pārdale. - X .: Vesta: Izdevniecība "Ranok", 2005. - 464 lpp.

1. Interneta portāls "physics.ru" ()
2. Interneta portāls "ens.tpu.ru" ()
3. Interneta portāls "prosto-o-slognom.ru" ()

Mājasdarbs

1. Formulējiet inerciālo un neinerciālo atskaites sistēmu definīcijas. Sniedziet šādu sistēmu piemērus.
2. Štata Ņūtona pirmais likums.
3. ISO ķermenis atrodas miera stāvoklī. Nosakiet, kāda ir tā ātruma vērtība IFR, kas pārvietojas attiecībā pret pirmo atskaites sistēmu ar ātrumu v?

Jebkuru ķermeni var ietekmēt citi to apkārtējie ķermeņi, kā rezultātā var mainīties novērojamā ķermeņa kustības (atpūtas) stāvoklis. Tajā pašā laikā šādas ietekmes var kompensēt (līdzsvarot) un neizraisīt šādas izmaiņas. Kad viņi saka, ka divu vai vairāku ķermeņu darbības kompensē viena otru, tas nozīmē, ka viņu kopīgās darbības rezultāts ir tāds pats kā tad, ja šīs struktūras vispār nepastāvētu. Ja citu ķermeņu ietekme uz ķermeni tiek kompensēta, tad attiecībā pret Zemi ķermenis atrodas vai nu miera stāvoklī, vai arī kustas taisni un vienmērīgi.

Tādējādi mēs nonākam pie viena no mehānikas pamatlikumiem, ko sauc par Ņūtona pirmo likumu.

Ņūtona pirmais likums (inerces likums)

Ir tādas atskaites sistēmas, kurās kustīgs ķermenis atrodas miera stāvoklī vai vienmērīgi taisnā kustībā (kustība pēc inerces), līdz citu ķermeņu ietekme to izved no šī stāvokļa.

Saistībā ar to, kas tika teikts, ķermeņa ātruma izmaiņas (ti, paātrinājumu) vienmēr izraisa dažu citu ķermeņu ietekme uz šo ķermeni.

Ņūtona 1. likums ir spēkā tikai inerciālās atskaites sistēmās.

Definīcija

Atsauces rāmjus, attiecībā pret kuriem ķermenis, kuru neietekmē citi ķermeņi, atrodas miera stāvoklī vai kustas vienmērīgi un taisni, sauc par inerciāliem.

Tikai empīriski var noteikt, vai dotā atskaites sistēma ir inerciāla. Vairumā gadījumu var apsvērt inerciālās atskaites sistēmas, kas saistītas ar Zemi vai atskaites ķermeņiem, kas pārvietojas vienmērīgi un taisni attiecībā pret zemes virsmu.

1. attēls. Inerciālās atskaites sistēmas

Šobrīd ir eksperimentāli apstiprināts, ka ar Saules centru un trim "fiksētajām" zvaigznēm saistītais heliocentriskais atskaites rāmis ir praktiski inerciāls.

Jebkurš cits atskaites rāmis, kas pārvietojas vienmērīgi un taisni attiecībā pret inerciālo, pats par sevi ir inerciāls.

Galileo konstatēja, ka nav iespējams noteikt, vai šī sistēma atrodas miera stāvoklī vai kustas vienmērīgi un taisni, veicot jebkādus mehāniskus eksperimentus, kas iestatīti inerciālā atskaites sistēmā. Šo apgalvojumu sauc par Galileja relativitātes principu jeb mehānisko relativitātes principu.

Šo principu vēlāk izstrādāja A. Einšteins, un tas ir viens no speciālās relativitātes teorijas postulātiem. IFR ir ārkārtīgi svarīga loma fizikā, jo saskaņā ar Einšteina relativitātes principu jebkura fizikas likuma matemātiskā izteiksme katrā IFR ir vienāda.

Ja atsauces ķermenis pārvietojas ar paātrinājumu, tad ar to saistītais atskaites rāmis nav inerciāls, un Ņūtona 1. likums tajā nav spēkā.

Ķermeņu īpašību saglabāt savu stāvokli laikā (kustības ātrums, kustības virziens, miera stāvoklis utt.) sauc par inerci. Pati parādība, kad kustīgs ķermenis saglabā ātrumu, ja nav ārējas ietekmes, tiek saukta par inerci.

2. attēls. Inerces izpausmes autobusā kustības un bremzēšanas sākumā

Ar ķermeņu inerces izpausmi mēs bieži sastopamies ikdienā. Strauji paātrinot autobusu, pasažieri tajā atliecas (2. att., a), un, strauji bremzējot autobusu, tie noliecas uz priekšu (2. att., b), un, kad autobuss pagriežas pa labi. - pie tās kreisās sienas. Ar lielu pacelšanās lidmašīnas paātrinājumu pilota ķermenis, cenšoties saglabāt sākotnējo miera stāvokli, tiek nospiests pret sēdekli.

Ķermeņu inerce skaidri izpaužas sistēmas ķermeņu paātrinājumu krasās izmaiņās, kad inerciālais atskaites rāmis tiek aizstāts ar neinerciālu un otrādi.

Ķermeņa inerci parasti raksturo tā masa (inerces masa).

Spēku, kas iedarbojas uz ķermeni no neinerciālas atskaites sistēmas, sauc par inerces spēku

Ja uz ķermeni neinerciālā atskaites sistēmā vienlaikus iedarbojas vairāki spēki, no kuriem daži ir "parastie" spēki, bet citi ir inerciāli, tad ķermenis piedzīvos vienu rezultējošo spēku, kas ir visu uz to iedarbojošo spēku vektora summa. . Šis izrietošais spēks nav inerces spēks. Inerces spēks ir tikai iegūtā spēka sastāvdaļa.

Ja nūju, kas piekārta uz diviem plāniem pavedieniem, lēnām velk ar auklu, kas piestiprināta tās centram, tad:

1. zizlis salūzīs;
2. vads pārtrūkst;
3. viens no pavedieniem pārtrūks;
4. ir iespējama jebkura iespēja atkarībā no pielietotā spēka

4. attēls

Spēks tiek pielikts nūjas vidum, vietā, kur aukla karājas. Tā kā saskaņā ar Ņūtona 1. likumu jebkuram ķermenim ir inerce, tad auklas piekares punktā nūjas daļa pieliktā spēka ietekmē kustēsies un citas nūjas daļas, uz kurām spēks neiedarbojas. , paliks miera stāvoklī. Tāpēc nūja piekares vietā salūzīs.

Atbilde. Pareizā atbilde 1.

Vīrietis velk divas piesietas ragavas, pieliekot spēku 300 leņķī pret horizontu. Atrodiet šo spēku, ja ir zināms, ka kamanas pārvietojas vienmērīgi. Kamanu svars ir 40 kg. Berzes koeficients 0,3.

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

$(\mathbf \mu )$ = 0,3

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

$g$ = 9,8 m/s2

5. attēls

Tā kā kamanas pārvietojas ar nemainīgu ātrumu, saskaņā ar Ņūtona pirmo likumu spēku summa, kas iedarbojas uz kamanām, ir nulle. Uzrakstīsim Ņūtona pirmo likumu katram ķermenim uzreiz projekcijā uz asi un pievienosim Kulona sausās berzes likumu kamanām:

VĒRSIS ass OY ass

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

$F=\frac(2\mu mg)((cos \alpha \ )+\mu (sin \alpha \ ))=\ \frac(2\cdot 0.3\cdot 40\cdot 9.8)((cos 30() ^\circ \ )+0,3\cdot (sin 30()^\circ \ ))=231,5\ H$

Vispārējās fizikas kurss

Ievads.

Fizika (grieķu valodā, no physis - daba), dabas zinātne, pētot visvienkāršāko un tajā pašā laikā visvairāk vispārīgas īpašības materiālā pasaule(dabas parādību likumsakarības, matērijas īpašības un uzbūve un tās kustības likumi). Fizikas jēdzieni un tās likumi ir visu dabaszinātņu pamatā. Fizika pieder pie eksaktajām zinātnēm un pēta parādību kvantitatīvos modeļus. Tāpēc, protams, fizikas valoda ir matemātika.

Matērija var pastāvēt divās pamatformās: matērijā un laukā. Tie ir savstarpēji saistīti.

Piemēri: In klusums – cietie ķermeņi, šķidrumi, plazma, molekulas, atomi, elementārdaļiņas utt.

Lauks- elektromagnētiskais lauks (lauka kvanti (daļas) - fotoni);

gravitācijas lauks (lauka kvanti - gravitoni).

Matērijas un lauka attiecības– elektronu-pozitronu pāra anihilācija.

Fizika noteikti ir pasaules uzskatu zinātne, un zināšanas par tās pamatiem ir nepieciešamais elements jebkura mūsdienu cilvēka izglītība, kultūra.

Tajā pašā laikā fizikai ir liela praktiska nozīme. Tieši viņa ir parādā lielāko daļu cilvēces tehnisko, informācijas un komunikācijas sasniegumu.

Turklāt pēdējās desmitgadēs fiziskās metodes pētījumi arvien vairāk tiek izmantoti zinātnēs, kas, šķiet, ir tālu no fizikas, piemēram, socioloģijā un ekonomikā.

Klasiskā mehānika.

Mehānika ir fizikas nozare, kas nodarbojas ar vienkāršākā forma matērijas kustība - ķermeņu kustība telpā un laikā.

Sākotnēji mehānikas kā zinātnes pamatprincipus (likumus) formulēja I. Ņūtons trīs likumu veidā, kas saņēma viņa vārdu.

Izmantojot apraksta vektora metodi, ātrumu var definēt kā punkta vai ķermeņa rādiusa vektora atvasinājumu , un masa šeit darbojas kā proporcionalitātes koeficients.

1. Kad divi ķermeņi mijiedarbojas, katrs no tiem iedarbojas uz citu ķermeni ar tādu pašu vērtību, bet pretējā virzienā, spēku.

Šie likumi nāk no pieredzes. Uz tiem balstās visa klasiskā mehānika. Ilgu laiku tika uzskatīts, ka visas novērotās parādības var aprakstīt ar šiem likumiem. Taču laika gaitā cilvēka spēju robežas paplašinājās, un pieredze liecināja, ka Ņūtona likumi ne vienmēr ir spēkā, un līdz ar to klasiskajai mehānikai ir noteiktas pielietojamības robežas.

Turklāt nedaudz vēlāk pievērsīsimies klasiskajai mehānikai no nedaudz cita rakursa – balstoties uz saglabāšanas likumiem, kas savā ziņā ir vispārīgāki fizikas likumi nekā Ņūtona likumi.

1.2. Klasiskās mehānikas pielietojamības robežas.

Pirmais ierobežojums ir saistīts ar aplūkojamo objektu ātrumiem. Pieredze rāda, ka Ņūtona likumi paliek spēkā tikai ar nosacījumu , kur ir gaismas ātrums vakuumā ( ). Šajos ātrumos lineārie svari un laika intervāli nemainās, pārejot no viena atskaites sistēmas uz otru. Tāpēc telpa un laiks ir absolūti klasiskajā mehānikā.

Tātad, klasiskā mehānika apraksta kustību ar zemiem relatīvajiem ātrumiem, t.i. tā ir nerelativistiskā fizika. Liela ātruma ierobežojums ir pirmais klasiskās Ņūtona mehānikas pielietojuma ierobežojums.

Turklāt pieredze rāda, ka Ņūtona mehānikas likumu piemērošana ir nelikumīga, lai aprakstītu mikroobjektus: molekulas, atomus, kodolus, elementārdaļiņas utt. Sākot no izmēriem

(), adekvātu novēroto parādību aprakstu sniedz citi

likumi - kvantu. Tieši tie ir jāizmanto, ja raksturīgs lielums, kas apraksta sistēmu un kam ir izmēri , salīdzināms ar Planka konstanti Pieņemsim, ka elektronam atomā mums ir . Tad lielums, kuram ir leņķiskā impulsa izmērs, ir vienāds ar: .

Jebkura fiziska parādība ir notikumu secība. notikumu to, kas notiek noteiktā telpas punktā, sauc Šis brīdis laiks.

Lai aprakstītu notikumus, ievadiet telpa un laiks- kategorijas, kas apzīmē matērijas pastāvēšanas galvenās formas. Telpa izsaka atsevišķu objektu esamības kārtību, un laiks izsaka parādību maiņas kārtību. Telpa un laiks ir jāatzīmē. Marķēšana tiek veikta, ieviešot atsauces struktūras un atsauces (mēroga) struktūras.

Atsauces sistēmas. Inerciālās atskaites sistēmas.

Lai aprakstītu ķermeņa kustību vai izmantoto modeli – var pielietot materiālo punktu vektora veidā apraksti, kad, izmantojot rādiusa vektoru, tiek iestatīta mūs interesējošā objekta pozīcija segments, kas virzīts no atskaites ķermeņa uz mums interesējošo punktu, kura novietojums telpā laika gaitā var mainīties. Rādiusa vektora galu lokusu sauc trajektorija kustīgs punkts.

2.1. Koordinātu sistēmas.

Vēl viens veids, kā aprakstīt ķermeņa kustību, ir koordinēt, kurā noteikta koordinātu sistēma ir stingri saistīta ar atskaites ķermeni.

Mehānikā un vispār fizikā dažādās problēmās tas ir ērti lietojams dažādas sistēmas koordinātas. Visbiežāk lietotās t.s Dekarta, cilindriska un sfēriska koordinātu sistēmas.

1) Dekarta koordinātu sistēma: tiek ievadītas trīs savstarpēji perpendikulāras asis ar noteiktām skalām pa visām trim asīm (līneļiem). Atskaites punkts visām asīm tiek ņemts no atskaites korpusa. Katras koordinātas maiņas robežas no uz .

Rādiusa vektors, kas nosaka punkta pozīciju, ir definēts kā koordinātas kā

. (2.1)

Neliels tilpums Dekarta sistēmā:

,

vai bezgalīgi mazos soļos:

(2.2)

2) Cilindriskā koordinātu sistēma: attālums no ass, griešanās leņķis no x ass un augstums gar asi no atskaites korpusa ir atlasīti kā mainīgie.

3) Sfēriskā koordinātu sistēma: ievadiet attālumu no atskaites ķermeņa līdz interesējošajam punktam un leņķus

rotāciju un , skaitot no asīm un attiecīgi.

Rādiusa vektors - mainīgo funkcija

,

koordinātu maiņas ierobežojumi:

Dekarta koordinātas ir saistītas ar sfēriskām koordinātām, izmantojot šādas attiecības

(2.6)

Tilpuma elements sfēriskās koordinātās:

(2.7)

2.2. Atsauces sistēma.

Lai izveidotu atskaites sistēmu, koordinātu sistēma, kas ir stingri savienota ar atskaites ķermeni, jāpapildina ar pulksteni. Pulkstenis var būt iekšā dažādi punkti atstarpes, tāpēc tās ir jāsinhronizē. Pulksteņa sinhronizācija tiek veikta, izmantojot signālus. Lai signāla izplatīšanās laiks no notikuma vietas līdz novērošanas punktam ir . Tad mūsu pulkstenim vajadzētu parādīt laiku signāla parādīšanās brīdī. ja pulkstenis notikuma punktā tā rašanās brīdī rāda laiku . Mēs uzskatīsim šādus pulksteņus par sinhronizētiem.

Ja attālums no telpas punkta, kurā notika notikums, līdz novērošanas punktam ir , un signāla pārraides ātrums ir , tad . Klasiskajā mehānikā tiek pieņemts, ka signāla izplatīšanās ātrums . Tāpēc visā telpā tiek ieviests viens pulkstenis.

Agregāts atsauces ķermeņi, koordinātu sistēmas un pulksteņi formā Atsauces sistēma(CO).

Ir bezgalīgs skaits atsauces sistēmu. Pieredze rāda, ka, lai gan ātrums ir mazs salīdzinājumā ar gaismas ātrumu , lineārās skalas un laika intervāli nemainās pārejot no vienas atskaites sistēmas uz citu.

Citiem vārdiem sakot, klasiskajā mehānikā telpa un laiks ir absolūts.

Ja , tad mērogi un laika intervāli ir atkarīgi no SS izvēles, t.i. telpa un laiks kļūst par relatīviem jēdzieniem. Tā jau ir joma relatīvistiskā mehānika.

2.3.Inerciālās atskaites sistēmas(ISO).

Tātad, mēs esam atskaites sistēmas izvēles priekšā, kurā mēs varētu atrisināt mehānikas problēmas (aprakstīt ķermeņu kustību un noteikt cēloņus, kas to izraisa). Izrādās, ka ne visi atskaites rāmji ir vienādi ne tikai problēmas formālajā aprakstā, bet, vēl svarīgāk, tie dažādos veidos atspoguļo cēloņus, kas izraisa ķermeņa stāvokļa izmaiņas.

Atsauces sistēma, kurā mehānikas likumi tiek formulēti visvienkāršāk, ļauj noteikt Ņūtona pirmo likumu, kas postulē pastāvēšanu. inerciālās atskaites sistēmas- ISO.

I klasiskās mehānikas likums - Galileja-Ņūtona inerces likums.

Ir tāda atskaites sistēma, kurā materiālais punkts, ja izslēdzam tā mijiedarbību ar visiem pārējiem ķermeņiem, kustēsies pēc inerces, t.i. uzturēt miera stāvokli vai uniformu taisnvirziena kustība.

Šī ir inerciālā atskaites sistēma (ISO).

ISO materiālā punkta kustības (paātrinājuma) izmaiņas ir saistītas tikai ar tā mijiedarbību ar citiem ķermeņiem, bet nav atkarīgas no paša atskaites sistēmas īpašībām.