Najprej inercialni referenčni okvirji. Kateri referenčni sistemi se imenujejo inercialni? Primeri inercialnega referenčnega okvira

Prvi Newtonov zakon predpostavlja prisotnost takega pojava, kot je vztrajnost teles. Zato je znan tudi kot zakon vztrajnosti. Inercija - to je pojav, ko telo ohranja hitrost gibanja (tako po velikosti kot v smeri), ko na telo ne delujejo sile. Za spremembo hitrosti gibanja je treba na telo delovati z določeno silo. Seveda bo rezultat delovanja sil enake velikosti na različna telesa različen. Tako naj bi imela telesa vztrajnost. Vztrajnost je lastnost teles, da se upirajo spremembi svojega trenutnega stanja. Za vrednost vztrajnosti je značilna telesna masa.

Inercialni referenčni okvir

Prvi Newtonov zakon pravi (kar je mogoče eksperimentalno preveriti z različno stopnjo natančnosti), da inercialni sistemi dejansko obstajajo. Ta zakon mehanike postavlja inercialne referenčne okvire v poseben, privilegiran položaj.

Referenčni okvirji, v katerih je izpolnjen prvi Newtonov zakon, se imenujejo inercialni.

Inercialni sistemi referenca- to so sistemi, glede na katere materialna točka ob odsotnosti zunanjih vplivov nanjo ali njihove medsebojne kompenzacije miruje ali se giblje enakomerno in pravokotno.

Obstaja neskončno število inercialnih sistemov. Referenčni okvir, povezan z vlakom, ki se giblje s konstantno hitrostjo vzdolž ravnega odseka tira, je tudi inercialni okvir (približno), kot je okvir, povezan z Zemljo. Vsi inercialni referenčni okvirji tvorijo razred okvirjev, ki se gibljejo drug glede na drugega enakomerno in pravokotno. Pospeški katerega koli telesa v različnih inercialnih okvirih so enaki.

Kako nastaviti kaj ta sistem je referenca inercialna? To je mogoče storiti le z izkušnjami. Opazovanja kažejo, da lahko z zelo visoko stopnjo natančnosti heliocentrični okvir obravnavamo kot inercialni referenčni okvir, v katerem je izvor koordinat povezan s Soncem, osi pa so usmerjene na določene "nepremične" zvezde. Referenčni okvirji, ki so togo povezani z zemeljskim površjem, strogo gledano niso inercialni, saj se Zemlja giblje v orbiti okoli Sonca in se hkrati vrti okoli svoje osi. Ko pa opisujemo gibanje, ki nimajo globalnega (tj. svetovnega) merila, lahko referenčne sisteme, povezane z Zemljo, z zadostno natančnostjo štejemo za inercijske.

Referenčni okvirji so tudi inercialni, če se gibljejo enakomerno in premočrtno glede na kateri koli inercialni referenčni okvir.

Galileo je ugotovil, da je nemogoče ugotoviti, ali ta sistem miruje ali se giblje enakomerno in premočrtno s kakršnimi koli mehanskimi poskusi, postavljenimi v inercialni referenčni okvir. Ta izjava se imenuje Galilejevo načelo relativnosti ali mehansko načelo relativnosti.

To načelo je pozneje razvil A. Einstein in je eden od postulatov posebne teorije relativnosti. Inercialni referenčni okvirji imajo v fiziki izjemno pomembno vlogo, saj ima po Einsteinovem načelu relativnosti matematični izraz katerega koli zakona fizike enako obliko v vsakem inercialnem referenčnem sistemu. V prihodnosti bomo uporabljali samo inercialne sisteme (brez tega vsakič omenjamo).

Referenčni okviri, v katerih prvi Newtonov zakon ni izpolnjen, se imenujejo neinercialni.

Takšni sistemi vključujejo kateri koli referenčni okvir, ki se premika s pospeškom glede na inercialni referenčni okvir.

V Newtonovi mehaniki so zakoni medsebojnega delovanja teles formulirani za razred inercialnih referenčnih okvirov.

Primer mehanskega poskusa, v katerem se kaže neinercialnost sistema, povezanega z Zemljo, je obnašanje Foucaultovega nihala. To je ime masivne krogle, ki je obešena na dovolj dolgi niti in ustvarja majhna nihanja okoli ravnotežnega položaja. Če bi bil sistem, povezan z Zemljo, inercialni, bi ravnina nihanja Foucaultovega nihala ostala nespremenjena glede na Zemljo. Pravzaprav se ravnina nihanja nihala vrti zaradi vrtenja Zemlje, projekcija poti nihala na zemeljsko površino pa izgleda kot rozeta (slika 1).

Dejstvo, da telo teži k temu, da ne vzdržuje nobenega gibanja, namreč pravolinijskega, dokazuje na primer naslednji poskus (slika 2). Krogla, ki se giblje premočrtno vzdolž ravne vodoravne površine in trči v oviro, ki ima ukrivljeno obliko, se pod delovanjem te ovire prisili, da se premika v loku. Ko pa žoga doseže rob ovire, se neha premikati v krivolinijski smeri in se spet začne gibati v ravni črti. Če povzamemo rezultate zgornjih (in podobnih) opazovanj, lahko sklepamo, da če na dano telo ne vplivajo druga telesa ali se njihova dejanja medsebojno kompenzirajo, to telo miruje oziroma njegova hitrost ostane nespremenjena glede na referenčni okvir fiksno povezan z zemeljskim površjem.

Vprašanje št. 6:

Bojiti se je mogoče, da se večina bralcev že naveliča teoretičnega sklepanja in bodo zahtevali podati konkreten primer inercijski sistem v naravi. Poskušajmo jim čim bolj izpolniti željo. Razmislimo o konkretnem primeru: ali je LTT inercijski sistem Zemlje? Vsak učenec bo na to rekel: »Vsi primeri, ki jih učitelj fizike navaja v lekciji in razlaga Newtonove zakone, se nanašajo na gibanje teles na Zemlji. To razumem tako, da se gibanja vseh teles na Zemlji dogajajo po Newtonovih zakonih. Zato je Zemlja inercialni sistem."

Vendar ta sklep ni točen. Da to preverimo, se miselno preselimo v pariški Panteon, kjer je leta 1851 Leon Foucault, član Francoske akademije znanosti, pokazal svojo slavno izkušnjo.

Na kupolo Panteona je obešen 67-metrski kabel, na katerega je bakrena utež 28 kg. To velikansko nihalo je pripravljeno zanihati. Po več nihanjih se razkrije neverjeten pojav: ravnina, v kateri niha nihalo, se začne počasi vrteti. zakaj? Foucault je rezultat poskusa pojasnil z vrtenjem Zemlje okoli svoje osi. Zemlja se vrti, vendar se ravnina nihanja nihala ne spremeni - to vodi do vrtenja ravnine nihanja nihala glede na zemeljsko površino. S to razlago se bomo popolnoma strinjali, le nekoliko drugače jo bomo izrazili: Zemlja ni inercialni sistem. Ravnina nihanja nihala se vrti glede na Zemljo, vendar je nemogoče najti telo, ki bi bilo vir sile, ki povzroča to rotacijo. V tem primeru pospešek (vrtenje se nanaša na pospešene premike) poteka brez vpliva realne sile. V inercialnih sistemih, kjer veljajo Newtonovi zakoni, so takšni pojavi nemogoči.

Zemljo lahko štejemo za inercialni sistem le približno; z drugimi besedami, lahko Zemljo obravnavamo kot inercialni sistem samo za opis takšnih procesov, na katere njeno vrtenje praktično nima opaznega učinka. Velika večina pojavov, ki nas po svoji naravi obkrožajo, je prav takih. Zato lahko v praktičnem življenju varno uporabimo Newtonove zakone za gibanje na Zemlji.

Da Zemlja ni inercijski sistem, potrjujejo drugi pojavi. Leta 1802 je bil v Hamburgu izveden poskus, v katerem je z višine 76 m težko telo je padlo na tla. Izkazalo se je, da telo ni padlo natanko v smeri sile težnosti, ki deluje nanj, ampak je odstopalo skoraj 1 cm proti vzhodu. To je mogoče razložiti le z dejstvom, da je Zemlja neinercialni sistem.

Leta 1857 je ruski akademik Karl Baer vzpostavil dobro znani zakon erozije reke: za reke, ki tečejo vzdolž poldnevnika na severni polobli, je desni breg visok, levi breg pa nizek, na južni polobli na nasprotno, levi breg je visok, desni pa nizek. Ta vzorec je še posebej izrazit v velikih rekah. Visok desni breg imajo Nil, Ob, Irtiš, Lena, Volga, Donava, Dneper, Don itd. Levi breg je višji od desnega v bližini rek južne poloble, kot sta Parana in Paragvaj. To je mogoče razložiti le z dejstvom, da se vode rek, ki tečejo vzdolž meridianov na severni polobli, premaknejo v desno (na južni polobli v levo), odplavijo desni in levi breg, nastala iz opranega peska, postane nagnjena.

Zakaj bi reke, ki tečejo vzdolž poldnevnika, odklonile stran? Iz istega razloga, da se ravnina nihala vrti in prosto padajoče telo odstopa. Geograf bo odgovoril, da so vsi ti pojavi posledica vrtenja Zemlje okoli svoje osi. Fizik bo pojasnil, da to izraža neinercialnost Zemlje kot referenčnega telesa. Zemlja se vrti glede na inercialne sisteme.

Iskanje inercialnega okvirja načeloma ni težko: najti morate le referenčni okvir, v katerem natančno veljajo Newtonovi zakoni. V praksi pa sploh ni tako preprosto. Inercijski sistem je lahko samo sistem, povezan s prostim telesom. V naravi, kot že omenjeno, ne prostih teles; vsa telesa sodelujejo z drugimi telesi, čeprav je ta interakcija lahko poljubno majhna. Zato je v naravi nemogoče navesti določen inercijski sistem, vendar je vedno mogoče najti sistem, ki ga lahko pri preučevanju danega problema z zadostno natančnostjo za prakso štejemo za inercialnega. želeni sistem vedno izbrati tako, da so pojavi zaradi njegove neinercialnosti manjši od napake uporabljenega merilni instrumenti. Kot smo že omenili, ko opisujemo "večino gibanja zemlje naš planet se lahko šteje za inercialni sistem. V Foucaultovem poskusu, pa tudi pri preučevanju gibanja Zemlje, je treba inercijski sistem povezati s Soncem. Gibanje Sonca lahko opišemo v inercialnem okvirju, ki je povezan z okoliškimi zvezdami (zvezde naj bi bile praktično negibne), pri proučevanju vrtenja Galaksije pa je treba vztrajni okvir povezati s središčem mase galaksija.

Predstavljamo vam video lekcijo, posvečeno temi "Inercialni referenčni okvirji. Newtonov prvi zakon, ki je vključen v šolski tečaj fizike za 9. razred. Na začetku ure vas bo učitelj spomnil na pomen izbranega referenčnega okvira. Nato bo spregovoril o pravilnosti in značilnostih izbranega referenčnega sistema ter razložil tudi izraz "vztrajnost".

V prejšnji lekciji smo govorili o pomenu izbire referenčnega okvira. Spomnimo se, da bodo pot, prevožena razdalja in hitrost odvisni od tega, kako bomo izbrali CO. Z izbiro referenčnega sistema so povezane številne druge značilnosti, o katerih bomo govorili.

riž. 1. Odvisnost trajektorije padanja bremena od izbire referenčnega sistema

V sedmem razredu ste preučevali pojma »vztrajnost« in »inercija«.

Inercija - Tole pojav, pri katerem telo teži k ohranjanju prvotnega stanja. Če se je telo premikalo, bi si moralo prizadevati ohraniti hitrost tega gibanja. In če miruje, si bo prizadeval ohraniti stanje mirovanja.

vztrajnost - Tole lastnine telo za vzdrževanje stanja gibanja. Za lastnost vztrajnosti je značilna taka količina, kot je masa. Utež – merilo vztrajnosti telesa. Težje kot je telo, težje se je premikati ali, nasprotno, ustaviti.

Upoštevajte, da so ti koncepti neposredno povezani s konceptom " inercialni referenčni okvir» (ISO), o čemer bo govora v nadaljevanju.

Upoštevajte gibanje telesa (ali stanje mirovanja), če na telo ne deluje nobeno drugo telo. Sklep o tem, kako se bo telo obnašalo v odsotnosti delovanja drugih teles, je prvi predlagal Rene Descartes (slika 2) in nadaljeval v Galilejevih poskusih (slika 3).

riž. 2. Rene Descartes

riž. 3. Galileo Galilei

Če se telo premika in nanj ne deluje nobeno drugo telo, se bo gibanje ohranilo, ostalo bo pravolinijsko in enakomerno. Če druga telesa ne delujejo na telo in telo miruje, se bo stanje mirovanja ohranilo. Znano pa je, da je stanje mirovanja povezano z referenčnim okvirom: v enem FR telo miruje, v drugem pa se giblje precej uspešno in hitro. Rezultati poskusov in sklepanja pripeljejo do zaključka, da se telo v vseh referenčnih okvirih ne bo gibalo v ravni črti in enakomerno ali mirovalo, če nanj ne delujejo druga telesa.

Posledično je za rešitev glavnega problema mehanike pomembno izbrati tak sistem poročanja, kjer je zakon vztrajnosti vendarle izpolnjen, kjer je jasen razlog, ki je povzročil spremembo gibanja telesa. Če se telo giblje v ravni črti in enakomerno brez delovanja drugih teles, bo takšen referenčni okvir za nas boljši in se bo imenoval inercialni referenčni okvir(ISO).

Aristotelov pogled na vzrok gibanja

Inercialni referenčni okvir je priročen model za opis gibanja telesa in razlogov, ki povzročajo takšno gibanje. Prvič se je ta koncept pojavil po zaslugi Isaaca Newtona (slika 5).

riž. 5. Isaac Newton (1643-1727)

Stari Grki so si gibanje predstavljali povsem drugače. Seznanili se bomo z aristotelovskim pogledom na gibanje (slika 6).

riž. 6. Aristotel

Po Aristotelu obstaja samo en inercialni referenčni okvir - referenčni okvir, povezan z Zemljo. Vsi drugi referenčni sistemi so po Aristotelu sekundarni. V skladu s tem lahko vsa gibanja razdelimo na dve vrsti: 1) naravna, torej tista, o katerih poroča Zemlja; 2) prisilno, torej vse ostalo.

Najenostavnejši primer naravnega gibanja je prosti padec telesa na Zemljo, saj Zemlja v tem primeru telesu daje hitrost.

Razmislite o primeru prisilnega gibanja. To je situacija, ko konj vleče voz. Dokler konj deluje s silo, se voziček premika (slika 7). Takoj ko se je konj ustavil, se je ustavil tudi voz. Brez moči, brez hitrosti. Po Aristotelu je sila tista, ki pojasnjuje prisotnost hitrosti v telesu.

riž. 7. Prisilno gibanje

Do zdaj nekateri navadni ljudje menijo, da je Aristotelovo stališče pošteno. Na primer, polkovnik Friedrich Kraus von Zillergut iz Dogodivščin dobrega vojaka Schweika med svetovno vojno je poskušal ponazoriti načelo "Brez moči - brez hitrosti": "Ko je prišel ves bencin," je dejal polkovnik, "avto je bil prisiljen ustaviti. To sem videl včeraj. In potem se še vedno pogovarjajo o vztrajnosti, gospodje. Ne gre, stoji, ne premakne se z mesta. Brez bencina! No, ali ni smešno?

Kot v sodobnem šovbiznisu, kjer so oboževalci, bodo vedno kritiki. Svoje kritike je imel tudi Aristotel. Predlagali so mu, da naredi naslednji poskus: izpusti telo in padlo bo točno pod mesto, kamor smo ga izpustili. Navedimo primer kritike Aristotelove teorije, podobno kot primeri njegovih sodobnikov. Predstavljajte si, da leteče letalo vrže bombo (slika 8). Bo bomba padla točno pod mesto, kjer smo jo izpustili?

riž. 8. Ilustracija na primer

Seveda ne. Toda navsezadnje je to naravno gibanje – gibanje, o katerem je poročala Zemlja. Zakaj se potem ta bomba premika naprej in dlje? Aristotel je odgovoril takole: dejstvo je, da je naravno gibanje, o katerem poroča Zemlja, padec naravnost navzdol. Toda ko se premika v zraku, bombo odnesejo njene turbulence in te turbulence tako rekoč potisnejo bombo naprej.

Kaj se bo zgodilo, če odstranimo zrak in ustvarimo vakuum? Konec koncev, če ni zraka, bi morala bomba po Aristotelu pasti strogo pod mesto, kamor je bila vržena. Aristotel je trdil, da če ni zraka, potem je taka situacija možna, v resnici pa v naravi ni praznine, ni vakuuma. In če ni vakuuma, ni problema.

In šele Galileo Galilei je oblikoval načelo vztrajnosti v obliki, ki smo je vajeni. Razlog za spremembo hitrosti je vpliv drugih teles na telo. Če druga telesa ne delujejo na telo ali je to delovanje kompenzirano, se hitrost telesa ne bo spremenila.

Glede inercialnega referenčnega okvira lahko sklepamo na naslednji način. Predstavljajte si situacijo, ko se avtomobil premika, nato voznik ugasne motor in nato se avto premika po vztrajnosti (slika 9). Toda to je napačna izjava iz preprostega razloga, da se bo avtomobil sčasoma ustavil zaradi sile trenja. Zato v tem primeru ne bo enakomerno gibanje- manjka eden od pogojev.

riž. 9. Hitrost avtomobila se spreminja zaradi sile trenja

Razmislite o drugem primeru: velik, velik traktor se giblje s konstantno hitrostjo, medtem ko pred seboj vleče velik tovor z žlico. Takšno gibanje lahko štejemo za pravolinijsko in enakomerno, saj so v tem primeru vse sile, ki delujejo na telo, kompenzirane in se med seboj uravnotežijo (slika 10). Zato lahko referenčni okvir, povezan s tem telesom, štejemo za inercialnega.

riž. 10. Traktor se premika enakomerno in v ravni črti. Delovanje vseh teles je kompenzirano

Inercialnih referenčnih okvirov je lahko veliko. V resnici pa je takšen referenčni okvir še vedno idealiziran, saj ob natančnejšem pregledu takih referenčnih okvirov v polnem pomenu ni. ISO je nekakšna idealizacija, ki vam omogoča učinkovito simulacijo resničnih fizičnih procesov.

Za inercialne referenčne sisteme velja Galileova formula za seštevanje hitrosti. Upoštevajte tudi, da lahko vse referenčne okvire, o katerih smo govorili prej, v nekem približku štejemo za inercialne.

Isaac Newton je bil prvi, ki je oblikoval zakon, posvečen ISO. Newtonova zasluga je v tem, da je bil prvi, ki je znanstveno pokazal, da se hitrost premikajočega se telesa ne spreminja v trenutku, temveč kot posledica nekega delovanja skozi čas. To dejstvo je bilo osnova za nastanek zakona, ki ga imenujemo Newtonov prvi zakon.

Newtonov prvi zakon : obstajajo referenčni sistemi, v katerih se telo giblje ravno in enakomerno ali miruje, če na telo ne delujejo nobene sile ali so vse sile, ki delujejo na telo, izravnane. Takšni referenčni okvirji se imenujejo inercialni.

Na drug način včasih pravijo takole: inercialni referenčni okvir je okvir, v katerem so izpolnjeni Newtonovi zakoni.

Zakaj je Zemlja neinercialni CO. Foucaultovo nihalo

AT v velikem številu problemov, je treba upoštevati gibanje telesa glede na Zemljo, medtem ko smatramo, da je Zemlja inercialni referenčni okvir. Izkazalo se je, da ta izjava ni vedno resnična. Če upoštevamo gibanje Zemlje glede na njeno os ali glede na zvezde, potem to gibanje poteka z določenim pospeškom. SO, ki se giblje z določenim pospeškom, ne moremo šteti za inercialnega v polnem pomenu.

Zemlja se vrti okoli svoje osi, kar pomeni, da vse točke, ki ležijo na njeni površini, nenehno spreminjajo smer svoje hitrosti. Hitrost je vektorska količina. Če se njegova smer spremeni, se pojavi nekaj pospeška. Zato Zemlja ne more biti pravilen ISO. Če izračunamo ta pospešek za točke, ki se nahajajo na ekvatorju (točke, ki imajo največji pospešek glede na točke bližje polom), bo njegova vrednost . Indeks kaže, da je pospešek centripetalen. V primerjavi s pospeškom prosti pad, lahko pospešek zanemarimo in Zemljo lahko štejemo za inercialni referenčni okvir.

Vendar pa med dolgotrajnimi opazovanji ne smemo pozabiti na vrtenje Zemlje. To je prepričljivo pokazal francoski znanstvenik Jean Bernard Leon Foucault (slika 11).

riž. 11. Jean Bernard Leon Foucault (1819-1868)

Foucaultovo nihalo(slika 12) - je ogromna utež, obešena na zelo dolgi niti.

riž. 12. Model Foucaultovega nihala

Če Foucaultovo nihalo vzamemo iz ravnotežja, bo opisovalo naslednjo pot, ki ni ravna črta (slika 13). Premik nihala je posledica vrtenja Zemlje.

riž. 13. Nihanja Foucaultovega nihala. Pogled od zgoraj.

Vrtenje Zemlje je posledica niza zanimiva dejstva. Na primer, v rekah severne poloble je praviloma desni breg bolj strm, levi breg pa bolj položen. V rekah južne poloble - nasprotno. Vse to je posledica ravno vrtenja Zemlje in posledične Coriolisove sile.

O vprašanju formulacije Newtonovega prvega zakona

Newtonov prvi zakon: če na telo ne deluje nobeno telo ali je njihovo delovanje medsebojno uravnoteženo (kompenzirano), potem bo to telo v mirovanju oziroma se giblje enakomerno in pravolinijsko.

Razmislimo o situaciji, ki nam bo pokazala, da je treba takšno formulacijo Newtonovega prvega zakona popraviti. Predstavljajte si vlak z zavesami oken. V takem vlaku potnik po predmetih zunaj ne more ugotoviti, ali se vlak premika ali ne. Razmislimo o dveh referenčnih okvirih: FR, ki je povezan s potnikom Volodya, in FR, povezan z opazovalko na platformi Katya. Vlak začne pospeševati, njegova hitrost se povečuje. Kaj se bo zgodilo z jabolkom na mizi? Zavila se bo v nasprotni smeri. Za Katjo bo očitno, da se jabolko premika po inerciji, za Volodjo pa nerazumljivo. Ne vidi, da se je vlak začel premikati, in nenadoma se po njem začne kotaliti jabolko, ki leži na mizi. Kako je to lahko? Konec koncev mora po Newtonovem prvem zakonu jabolko ostati v mirovanju. Zato je treba izboljšati definicijo Newtonovega prvega zakona.

riž. 14. Primer ilustracije

Pravilna formulacija Newtonovega prvega zakona zveni takole: obstajajo referenčni sistemi, v katerih se telo giblje v ravni črti in enakomerno ali miruje, če na telo ne deluje nobena sila ali so vse sile, ki delujejo na telo, izravnane.

Volodja je v neinercialnem referenčnem okviru, Katja pa v inercialnem.

Večina sistemov, pravih referenčnih sistemov - neinercialnih. Razmislite o preprostem primeru: ko sedite na vlaku, na mizo položite telo (na primer jabolko). Ko se vlak začne premikati, bomo opazili tako radovedno sliko: jabolko se bo premaknilo, zakotalilo v nasprotni smeri od gibanja vlaka (slika 15). V tem primeru ne bomo mogli ugotoviti, katera telesa delujejo, naj se jabolko premika. V tem primeru pravimo, da je sistem neinercien. Iz situacije pa lahko izstopite z vstopom vztrajnostna sila.

riž. 15. Primer neinercialnega CO

Še en primer: ko se telo premika po zaokroženju ceste (slika 16), nastane sila, ki povzroči, da telo odstopi od premočrtne smeri gibanja. V tem primeru moramo upoštevati tudi neinercialni referenčni okvir, vendar se lahko tako kot v prejšnjem primeru iz situacije izvlečemo tudi z uvedbo t.i. vztrajnostne sile.

riž. 16. Vztrajnostne sile pri premikanju po zaobljeni poti

Zaključek

Obstaja neskončno število referenčnih sistemov, vendar je večina takih, ki jih ne moremo obravnavati kot inercialne referenčne sisteme. Inercialni referenčni okvir je idealiziran model. Mimogrede, tak referenčni sistem lahko vzamemo kot referenčni sistem, povezan z Zemljo ali nekaterimi oddaljenimi predmeti (na primer z zvezdami).

Bibliografija

1. Kikoin I.K., Kikoin A.K. Fizika: Učbenik za 9. razred Srednja šola. - M.: Razsvetljenje.
2. Peryshkin A.V., Gutnik E.M. fizika. 9. razred: učbenik za splošno izobraževanje. ustanove / A. V. Peryshkin, E. M. Gutnik. - 14. izd., stereotip. - M.: Droha, 2009. - 300.
3. Sokolovič Yu.A., Bogdanova G.S. Fizika: Priročnik s primeri reševanja problemov. - 2. izdaja, redistribucija. - X .: Vesta: Založba "Ranok", 2005. - 464 str.

1. Internetni portal "physics.ru" ()
2. Internetni portal "ens.tpu.ru" ()
3. Internetni portal "prosto-o-slognom.ru" ()

Domača naloga

1. Formulirajte definicije inercialnih in neinercialnih referenčnih okvirov. Navedite primere takšnih sistemov.
2. Prvi Newtonov zakon.
3. Pri ISO telo miruje. Ugotovite, kakšna je vrednost njegove hitrosti v IFR, ki se s hitrostjo giblje glede na prvi referenčni okvir v?

Na vsako telo lahko vplivajo druga telesa, ki ga obdajajo, zaradi česar se lahko spremeni stanje gibanja (počitka) opazovanega telesa. Hkrati se lahko takšni vplivi kompenzirajo (uravnotežijo) in ne povzročijo takšnih sprememb. Ko rečemo, da se dejanja dveh ali več teles medsebojno kompenzirajo, to pomeni, da je rezultat njihovega skupnega delovanja enak, kot če teh teles sploh ne bi bilo. Če je vpliv drugih teles na telo izravnan, potem telo glede na Zemljo miruje ali pa se giblje ravno in enakomerno.

Tako pridemo do enega od temeljnih zakonov mehanike, ki se imenuje Newtonov prvi zakon.

Newtonov 1. zakon (zakon vztrajnosti)

Obstajajo takšni referenčni sistemi, v katerih translacijsko gibajoče se telo miruje ali enakomerno pravolinijsko gibanje (gibanje po vztrajnosti), dokler ga vplivi drugih teles ne izvlečejo iz tega stanja.

Glede na povedano je sprememba hitrosti telesa (tj. pospešek) vedno posledica vpliva nekaterih drugih teles na to telo.

Newtonov 1. zakon velja samo v inercialnih referenčnih okvirih.

Opredelitev

Referenčni okvirji, glede na katere telo, na katerega druga telesa ne vplivajo, miruje ali se giblje enakomerno in pravocrtno, imenujemo inercialni.

Ali je dani referenčni okvir inercialen, je mogoče ugotoviti le empirično. V večini primerov lahko upoštevamo inercialne referenčne okvire, povezane z Zemljo ali z referenčnimi telesi, ki se gibljejo enakomerno in pravokotno glede na zemeljsko površino.

Slika 1. Inercialni referenčni okvirji

Trenutno je bilo eksperimentalno potrjeno, da je heliocentrični referenčni okvir, povezan s središčem Sonca in tremi "nepremičnimi" zvezdami, praktično inercialni.

Vsak drug referenčni okvir, ki se giblje enakomerno in pravokotno glede na inercialni, je sam po sebi inercien.

Galileo je ugotovil, da je nemogoče ugotoviti, ali ta sistem miruje ali se giblje enakomerno in premočrtno s kakršnimi koli mehanskimi poskusi, postavljenimi v inercialni referenčni okvir. Ta izjava se imenuje Galilejevo načelo relativnosti ali mehansko načelo relativnosti.

To načelo je pozneje razvil A. Einstein in je eden od postulatov posebne teorije relativnosti. IFR imajo v fiziki izjemno pomembno vlogo, saj ima po Einsteinovem načelu relativnosti matematični izraz katerega koli zakona fizike v vsakem IFR enako obliko.

Če se referenčno telo premika s pospeškom, je referenčni okvir, ki je povezan z njim, neinercialni in Newtonov 1. zakon v njem ne velja.

Lastnost teles, da ohranijo svoje stanje v času (hitrost gibanja, smer gibanja, stanje mirovanja itd.), se imenuje vztrajnost. Sam pojav ohranjanja hitrosti s gibajočim se telesom v odsotnosti zunanjih vplivov se imenuje vztrajnost.

Slika 2. Manifestacije vztrajnosti v avtobusu ob začetku gibanja in zaviranju

Z manifestacijo vztrajnosti teles se pogosto srečujemo v vsakdanjem življenju. Pri močnem pospeševanju avtobusa se potniki v njem nagnejo nazaj (slika 2, a), pri ostrem zaviranju avtobusa pa se nagnejo naprej (slika 2, b), in ko avtobus zavije v desno - do njegove leve stene. Z velikim pospeškom vzletnega letala se telo pilota, ki poskuša ohraniti prvotno stanje počitka, pritisne na sedež.

Vztrajnost teles se jasno kaže v ostri spremembi pospeška teles sistema, ko se inercialni referenčni okvir nadomesti z neinercialnim in obratno.

Za vztrajnost telesa je običajno značilna njegova masa (inercijska masa).

Sila, ki deluje na telo iz neinercialnega referenčnega okvira, se imenuje vztrajnostna sila

Če na telo v neinercialnem referenčnem sistemu deluje več sil hkrati, od katerih so nekatere »navadne« sile, druge pa inercialne, bo telo doživelo eno rezultantno silo, ki je vektorska vsota vseh sil, ki delujejo nanj. . Ta rezultujoča sila ni vztrajnostna sila. Sila vztrajnosti je le sestavni del nastale sile.

Če palico, obešeno na dveh tankih nitih, počasi vleče vrvica, pritrjena na njeno središče, potem:

1. palica se bo zlomila;
2. vrvica se zlomi;
3. ena od niti se bo zlomila;
4. možna je katera koli možnost, odvisno od uporabljene sile

Slika 4

Sila deluje na sredino palice, na mestu, kjer visi vrvica. Ker ima po Newtonovem 1. zakonu vsako telo vztrajnost, se bo del palice na točki obešanja vrvice premaknil pod delovanjem uporabljene sile, drugi deli palice, na katere sila ne deluje , bo ostal v mirovanju. Zato se bo palica zlomila na mestu vzmetenja.

Odgovori. Pravilen odgovor 1.

Človek vleče dve vezani sani, pri čemer deluje s silo pod kotom 300 do obzorja. Poiščite to silo, če je znano, da se sani gibljejo enakomerno. Teža sani je 40 kg. Koeficient trenja 0,3.

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

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

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

$g$ = 9,8 m/s2

Slika 5

Ker se sani gibljejo s konstantno hitrostjo, je po Newtonovem prvem zakonu vsota sil, ki delujejo na sani, enaka nič. Zapišemo Newtonov prvi zakon za vsako telo takoj v projekciji na os in dodamo Coulombov zakon suhega trenja za sani:

Os OX Os OY

\[\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) \right.\left\( \begin(array)(c) N_1-mg=0 \\ N_2+F(sin \alpha \ )-mg=0 \end(matrika) \desno\]

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

Tečaj splošne fizike

Uvod.

Fizika (grško, iz physis - narava), znanost o naravi, ki preučuje najpreprostejše in hkrati najbolj splošne lastnosti materialni svet(vzorci naravnih pojavov, lastnosti in zgradba snovi ter zakonitosti njenega gibanja). Koncepti fizike in njenih zakonov so osnova vseh naravoslovnih znanosti. Fizika spada med eksaktne vede in proučuje kvantitativne vzorce pojavov. Zato je seveda jezik fizike matematika.

Materija lahko obstaja v dveh osnovnih oblikah: materija in polje. Med seboj so povezani.

Primeri: In mirnost – trdna telesa, tekočine, plazma, molekule, atomi, elementarni delci itd.

Polje- elektromagnetno polje (kvani (delci) polja - fotoni);

gravitacijsko polje (poljski kvanti - gravitoni).

Razmerje med snovjo in poljem– anihilacija para elektron-pozitron.

Fizika je vsekakor svetovnonazorska znanost in poznavanje njenih temeljev je nujen element kakršna koli izobrazba, kultura sodobnega človeka.

Hkrati je fizika velikega praktičnega pomena. Prav ona je dolžna veliko večino tehničnih, informacijskih in komunikacijskih dosežkov človeštva.

Poleg tega zadnja desetletja fizikalne metode raziskave se vse bolj uporabljajo v znanostih, ki se zdijo daleč od fizike, kot sta sociologija in ekonomija.

Klasična mehanika.

Mehanika je veja fizike, ki se ukvarja s tem najpreprostejša oblika gibanje snovi - gibanje teles v prostoru in času.

Sprva je osnovna načela (zakone) mehanike kot znanosti oblikoval I. Newton v obliki treh zakonov, ki so prejeli njegovo ime.

Z uporabo vektorske metode opisa lahko hitrost definiramo kot izvod polmera vektorja točke ali telesa , masa pa tukaj deluje kot koeficient sorazmernosti.

1. Ko dve telesi medsebojno delujeta, vsako od njiju deluje na drugo telo z enako vrednostjo, vendar v nasprotni smeri, silo.

Ti zakoni izhajajo iz izkušenj. Na njih temelji vsa klasična mehanika. Dolgo časa veljalo je, da se lahko s temi zakoni opišejo vsi opazovani pojavi. Vendar so se sčasoma meje človeških zmožnosti razširile in izkušnje so pokazale, da Newtonovi zakoni niso vedno veljavni, zato ima klasična mehanika določene meje uporabnosti.

Poleg tega se bomo malo kasneje na klasično mehaniko obrnili z nekoliko drugačnega zornega kota – ki temelji na zakonih ohranjanja, ki so v nekem smislu bolj splošni zakoni fizike kot Newtonovi zakoni.

1.2. Meje uporabnosti klasične mehanike.

Prva omejitev je povezana s hitrostmi obravnavanih predmetov. Izkušnje so pokazale, da Newtonovi zakoni ostanejo veljavni le pod pogojem , kje je hitrost svetlobe v vakuumu ( ). Pri teh hitrostih linearne lestvice in časovni intervali se pri premikanju iz enega referenčnega okvira v drugega ne spreminjajo. Torej prostor in čas sta absolutna v klasični mehaniki.

Torej, klasična mehanika opisuje gibanje z nizkimi relativnimi hitrostmi, t.j. to je nerelativistična fizika. Omejitev visokih hitrosti je prva omejitev uporabe klasične Newtonove mehanike.

Poleg tega izkušnje kažejo, da je uporaba zakonov Newtonove mehanike nezakonita za opis mikro predmetov: molekul, atomov, jeder, elementarni delci itd. Začenši z dimenzijami

(), ustrezen opis opazovanih pojavov podajajo drugi

zakoni - kvantna. Prav njih je treba uporabiti pri karakteristični količini, ki opisuje sistem in ima dimenzijo , primerljivo z Planckovo konstanto Recimo, za elektron v atomu imamo . Potem je količina, ki ima dimenzijo kotne količine, enaka: .

Vsak fizični pojav je zaporedje dogodkov. dogodek kar se dogaja na določeni točki v prostoru se imenuje ta trenutekčas.

Za opis dogodkov vnesite prostor in čas- kategorije, ki označujejo glavne oblike obstoja materije. Prostor izraža vrstni red obstoja posameznih predmetov, čas pa vrstni red spreminjanja pojavov. Prostor in čas morata biti označena. Označevanje se izvaja z uvajanjem referenčnih teles in referenčnih (skalnih) teles.

Referenčni sistemi. Inercialni referenčni sistemi.

Za opis gibanja telesa ali uporabljenega modela se lahko uporabi materialna točka vektorski način opisov, ko je položaj predmeta, ki nas zanima, nastavljen s pomočjo vektorja polmera segment, usmerjen od referenčnega telesa do točke, ki nas zanima, katere položaj v prostoru se lahko s časom spreminja. Imenuje se mesto koncev polmernega vektorja poti premikajoča se točka.

2.1. Koordinatni sistemi.

Drug način za opis gibanja telesa je koordinirati, v katerem je določen koordinatni sistem togo povezan z referenčnim telesom.

V mehaniki in v fiziki na splošno je pri različnih problemih priročna za uporabo različni sistemi koordinate. Najpogosteje uporabljeni t.i Kartezijanski, cilindrični in sferični koordinatni sistemi.

1) Kartezijev koordinatni sistem: vnesejo se tri medsebojno pravokotne osi z določenim merilom vzdolž vseh treh osi (ravnila). Referenčna točka za vse osi je vzeta iz referenčnega telesa. Meje spremembe vsake od koordinat od do .

Vektor polmera, ki določa položaj točke, je definiran v smislu njenih koordinat kot

. (2.1)

Majhen volumen v kartezičnem sistemu:

,

ali v neskončno majhnih korakih:

(2.2)

2) Cilindrični koordinatni sistem: Razdalja od osi, kot vrtenja od osi x in višina vzdolž osi od referenčnega telesa so izbrani kot spremenljivke.

3) Sferični koordinatni sistem: vnesite razdaljo od referenčnega telesa do zanimive točke in kote

vrtenje in , šteto od osi in , oz.

Radij vektor - funkcija spremenljivk

,

meje spremembe koordinat:

Kartezijeve koordinate so povezane s sferičnimi koordinatami z naslednjimi relacijami

(2.6)

Element prostornine v sferičnih koordinatah:

(2.7)

2.2. Referenčni sistem.

Za konstruiranje referenčnega sistema je treba koordinatni sistem, ki je togo povezan z referenčnim telesom, dopolniti z uro. Ura je morda notri različne točke prostorov, zato jih je treba sinhronizirati. Sinhronizacija ure se izvaja s pomočjo signalov. Naj bo čas širjenja signala od točke, kjer se je dogodek zgodil, do točke opazovanja. Nato mora naša ura pokazati čas v trenutku, ko se pojavi signal. če ura na točki dogodka v času njegovega nastanka kaže čas . Takšne ure bomo šteli za sinhronizirane.

Če je razdalja od točke v prostoru, kjer se je dogodek zgodil, do točke opazovanja in je hitrost prenosa signala, potem . V klasični mehaniki se domneva, da je hitrost širjenja signala . Zato je ena ura uvedena v ves prostor.

Agregat referenčna telesa, koordinatni sistemi in ure oblika Referenčni sistem(CO).

Obstaja neskončno število referenčnih sistemov. Izkušnje kažejo, da so hitrosti v primerjavi s svetlobno hitrostjo majhne , linearne lestvice in časovni intervali se ne spreminjajo pri prehodu iz enega referenčnega sistema v drugega.

Z drugimi besedami, v klasični mehaniki sta prostor in čas absolutna.

Če , potem so lestvice in časovni intervali odvisni od izbire SS, t.j. prostor in čas postaneta relativna pojma. To je že območje relativistična mehanika.

2.3.Inercialni referenčni okvirji(ISO).

Tako smo pred izbiro referenčnega sistema, v katerem bi lahko reševali probleme mehanike (opisali gibanje teles in ugotovili vzroke, ki ga povzročajo). Izkazalo se je, da niso vsi referenčni okviri enaki, ne le v formalnem opisu problema, ampak, kar je še pomembneje, na različne načine predstavljajo vzroke, ki povzročajo spremembo stanja telesa.

Referenčni okvir, v katerem so zakoni mehanike oblikovani najenostavneje, vam omogoča, da vzpostavite prvi Newtonov zakon, ki postulira obstoj inercialni referenčni okvirji- ISO.

I zakon klasične mehanike - Galileo-Newtonov zakon vztrajnosti.

Obstaja takšen referenčni sistem, v katerem se bo materialna točka, če izključimo njeno interakcijo z vsemi drugimi telesi, premikala po inerciji, t.j. vzdrževati stanje počitka ali uniforme pravolinijsko gibanje.

To je inercialni referenčni okvir (ISO).

V ISO je sprememba gibanja materialne točke (pospešek) posledica le njene interakcije z drugimi telesi, ni pa odvisna od lastnosti samega referenčnega okvira.