Закон (физика)

Гравитационное взаимо

6.1. Гравитоны. Я начну с частиц, которые пока не открыты и наверняка не будут открыты в обозримом будущем. Это частицы гравитационного поля — гравитоны. Не открыты пока не только гравитоны, но и гравитационные волны (и это в то время, как электромагнитные волны буквально пронизывают нашу жизнь). Это обусловлено тем, что при низких энергиях гравитационное взаимодействие очень слабо. Как мы увидим, теория гравитонов позволяет понять все известные свойства гравитационного взаимодействия.

6.2. Обмен гравитонами. На языке диаграмм Фейнмана гравитационное взаимодействие двух тел осуществляется обменом виртуальными гравитонами между составляющими эти тела элементарными частицами. На рис. 3 гравитон испускается частицей с 4-импульсом p1 и поглощается другой частицей с 4-импульсом p2. В силу сохранения 4-импульса, q=p1 − p′1=p′2−p2, где q — 4-импульс гравитона.

Основные законы физики, которые должен знать человек

Некоторые физические принципы, хоть и относятся к одной из отраслей данной науки, тем не менее носят общий характер и должны быть известны всем. Перечислим основные законы физики, которые должен знать человек:

  • Закон Архимеда (относится к областям гидро-, а также аэростатики). Он подразумевает, что на любое тело, которое было погружено в газообразное вещество или в жидкость, действует своего рода выталкивающая сила, которая непременно направлена вертикально вверх. Эта сила всегда численно равна весу вытесненной телом жидкости или газа.
  • Другая формулировка этого закона следующая: тело, погруженное в газ или жидкость, непременно теряет в весе столько же, сколько составила масса жидкости или газа, в который оно было погружено. Этот закон и стал базовым постулатом теории плавания тел.
  • Закон всемирного тяготения (открыт Ньютоном). Его суть состоит в том, что абсолютно все тела неизбежно притягиваются друг к другу с силой, которая тем больше, чем больше произведение масс данных тел и, соответственно, тем меньше, чем меньше квадрат расстояния между ними.

Это и есть 3 основных закона физики, которые должен знать каждый, желающий разобраться в механизме функционирования окружающего мира и особенностях протекания процессов, происходящих в нем. Понять принцип их действия достаточно просто.

Видео

Молекулярная физика

Молекулярная физика описывает строение вещества с помощью молекулярно-кинетической теории (МКТ), согласно которой все тела состоят из отдельных частиц — молекул и атомов, то есть не являются сплошными.

Основные положения молекулярно-кинетической теории строения вещества:

  1. Вещество состоит из частиц (атомов и молекул).
  2. Эти частицы беспорядочно движутся.
  3. Частицы взаимодействуют друг с другом.
  4. Атом это наименьшая часть химического элемента, обладающая его свойствами и способная к самостоятельному существованию. Каждому элементу соответствует определённый род атомов, обозначаемый химическим символом этого элемента. Например, атом кислорода обозначается символом Атомы могут существовать в свободном состоянии (в , водорода — Атомы могут существовать в свободном состоянии (в , гелия — Атомы могут существовать в свободном состоянии (в и т. д.
  5. Атомы могут существовать в свободном состоянии (в виде отдельных атомов) в газах. В жидкостях и твёрдых телах они существуют в виде молекул, в которых соединяются с атомами того же элемента или других химических элементов (или, как принято говорить, существуют в связанном состоянии).
  6. Молекула мельчайшая устойчивая частица вещества, состоящая из атомов одного или нескольких химических элементов, сохраняющая основные химические свойства этого вещества.
  7. Атомы можно рассматривать как одноатомные молекулы. Поскольку молекулы очень малы, в каждом физическом теле их содержится огромное количество. Так, в 1 воздуха содержится около молекул. Чтобы понять, насколько велико это число, представим себе, что через маленькое отверстие пропускают по миллиону молекул в секунду, тогда указанное количество молекул пройдёт через отверстие за 840 000 лет.

Термодинамика

Школьный учебник, открывающий ученикам основные законы («Физика. 7 класс»), знакомит их и с основами термодинамики. Ее принципы мы коротко рассмотрим далее.

Законы термодинамики, являющиеся базовыми в данной отрасли науки, имеют общий характер и не связаны с деталями строения конкретного вещества на уровне атомов. Кстати, эти принципы важны не только для физики, но и для химии, биологии, аэрокосмической техники и т. д.

Например, в названной отрасли существует не поддающееся логическому определению правило, что в замкнутой системе, внешние условия для которой неизменны, со временем устанавливается равновесное состояние. И процессы, продолжающиеся в ней, неизменно компенсируют друг друга.

Еще одно правило термодинамики подтверждает стремление системы, которая состоит из колоссального числа частиц, характеризующихся хаотическим движением, к самостоятельному переходу из менее вероятных для системы состояний в более вероятные.

А закон Гей-Люссака (его также называют газовым законом) утверждает, что для газа определенной массы в условиях стабильного давления результат деления его объема на абсолютную температуру непременно становится величиной постоянной.

Еще одно важное правило этой отрасли — первый закон термодинамики, который также принято называть принципом сохранения и превращения энергии для термодинамической системы. Согласно ему, любое количество теплоты, которое было сообщено системе, будет израсходовано исключительно на метаморфозу ее внутренней энергии и совершение ею работы по отношению к любым действующим внешним силам. Именно эта закономерность и стала базисом для формирования схемы работы тепловых машин.

Другая газовая закономерность — это закон Шарля. Он гласит, что чем больше давление определенной массы идеального газа в условиях сохранения постоянного объема, тем больше его температура.

Законы Кеплера [ ]

Вступление [ ]

С точки зрения земного наблюдателя планеты движутся по весьма сложным траекториям. Первая попытка создания модели Вселенной была предпринята Птолемеем. В центре мироздания Птолемей поместил Землю, вокруг которой по большим и малым кругам, как в хороводе, двигались планеты и звезды.

Геоцентрическая система Птолемея продержалась более 14 столетий и только в середине XVI века была заменена гелиоцентрической системой Коперника. В системе Коперника траектории планет оказались более простыми. Немецкий астроном И. Кеплер в начале XVII века на основе системы Коперника сформулировал три эмпирических закона движения планет Солнечной системы, названных законами Кеплера.

Первый закон Кеплера [ ]

Все планеты движутся по эллиптическим орбитам, в одном из фокусов которых находится Солнце.

Ближайшая к Солнцу точка траектории называется перигелием, точка наиболее удаленная от Солнца – афелием. Расстояние между афелием и перигелием – большая ось эллипса.

Почти все планеты Солнечной системы (кроме Плутона) движутся по орбитам, близким к круговым.

Второй закон Кеплера [ ]

Радиус-вектор планеты описывает в равные промежутки времени равные площади.

Второй закон Кеплера эквивалентен закону сохранения момента импульса.

Вывод Ньютона. [ ]

При движении тела по эллипсу (приблизим его к окружности) возникает центростремительное ускорение.

Рассмотрим отношение центоростемительных ускорений двух планет, и получим, что оно равно отношению квадратов радиусов их орбит.

Поэтому

Поэтому Рассмотрим отношение центоростемительных ускорений

Рассмотрим отношение центоростемительных ускорений двух планет:

Сильное взаимо

9.1. Глюоны и кварки. Сильное взаимодействие держит нуклоны (протоны и нейтроны) внутри ядра. В его основе взаимодействие глюонов с кварками и взаимодействие глюонов с глюонами. Именно самодействие глюонов приводит к тому, что несмотря на то, что масса глюона равна нулю, так же, как равны нулю массы фотона и гравитона, обмен глюонами не приводит к глюонному дальнодействию, подобному фотонному и гравитонному. Более того, оно приводит к отсутствию свободных глюонов и кварков. Это обусловлено тем, что сумма одноглюонных обменов заменяется глюонной трубкой или нитью. Взаимодействие нуклонов в ядре подобно силам Ван-дер-Ваальса между нейтральными атомами.

9.2. Конфайнмент и асимптотическая свобода. Явление невылетания глюонов и кварков из адронов называют словом конфайнмент. Обратной стороной динамики, приводящей к конфайнменту является то, что на очень малых расстояниях глубоко внутри адронов взаимодействие между глюонами и кварками постепенно спадает. Кварки как бы становятся свободными на малых расстояниях. Это явление называют термином асимптотическая свобода.

9.3. Цвета кварков. Явление конфайнмента является следствием того, что каждый из шести кварков существует как бы в виде трех «цветовых» разновидностей. Кварки обычно «раскрашивают» в желтый, синий и красный цвета. Антикварки раскрашивают в дополнительные цвета: фиолетовый, оранжевый, зелёный. Всеми этими цветами обозначают своеобразные заряды кварков — «многомерные аналоги» электрического заряда, ответственные за сильные взаимодействия. Разумеется, никакой связи, кроме метафорической, между цветами кварков и обычными оптическими цветами нет.

9.4. Цвета глюонов. Ещё более многочисленно семейство цветных глюонов: их восемь, из которых два идентичны своим античастицам, а остальные шесть — нет. Взаимодействия цветовых зарядов описываются квантовой хромодинамикой и определяют свойства протона, нейтрона, всех атомных ядер и свойства всех адронов. То, что глюоны несут цветовые заряды, приводит к явлению конфайнмента глюонов и кварков, заключающегося в том, что цветные глюоны и кварки не могут вырваться из адронов. Ядерные силы между бесцветными (белыми) адронами представляют собой слабые отголоски могучих цветовых взаимодействий внутри адронов. Это похоже на малость молекулярных связей по сравнению с внутриатомными.

9.5. Массы адронов. Массы адронов вообще и нуклонов в частности обусловлены глюонным самодействием. Таким образом, масса всего видимого вещества, составляющего 4–5% энергии Вселенной, обусловлена именно самодействием глюонов.

Основы специальной теории относительности

Теория относительности — теория, описывающая универсальные пространственно-временные свойства физических процессов. Альберт Эйнштейн создал новую теорию — теорию относительности, или релятивистскую механику (от лат. relativus — относительный). Необходимость создания теории относительности была вызвана тем, что возникли сомнения в справедливости принципа относительности Галилея применительно к электромагнитным явлениям. Так, в опыте А. Майкельсона и Э. Морли (1881 г.), в котором сравнивали скорость распространения света вдоль направления орбитальной скорости Земли вокруг Солнца и перпендикулярно этому направлению, было установлено, что движение Земли вокруг Солнца не влияет на скорость распространения света. Это противоречит закону сложения скоростей Галилея. Согласовать принцип относительности Галилея с электродинамикой Максвелла оказалось возможным, только отказавшись от классических представлений о пространстве и времени, согласно которым расстояния и течение времени не зависят от системы отсчёта.

Главный вклад Эйнштейна в познание законов природы состоял в радикальном изменении основополагающих представлений о пространстве, времени, веществе и движении.

Специальная теория относительности (СТО) рассматривает взаимосвязь физических процессов, происходящих только в инерциальных системах отсчёта, т. е. в системах отсчёта, движущихся друг относительно друга равномерно и прямолинейно. СТО предполагает отсутствие гравитационных полей.

Общая теория относительности описывает взаимосвязь физических процессов, происходящих в ускоренно движущихся друг относительно друга (неинерциальных) системах отсчёта. Общая теория относительности является релятивистской теорией тяготения (гравитации). Согласно этой теории физическое пространство не является простым вместилищем объектов. Гравитационное поле физических тел приводит к неевклидовости пространства—времени.

Специальная теория относительности Эйнштейна основывается на двух постулатах.

    Следствия постулатов специальной теории относительности

    Теория относительности представляет собой новое учение о пространстве и времени, пришедшее на смену старым классическим представлениям. Согласно теории относительности, одновременность событий, расстояния и промежутки времени являются не абсолютными, а относительными. Они зависят от системы отсчёта. Причиной несостоятельности классических представлений о пространстве и времени является неправильное предположение о возможности мгновенной передачи взаимодействий и сигналов из одной точки пространства в другую. Существование предельной конечной скорости передачи взаимодействий вызывает необходимость глубокого изменения обычных представлений о пространстве и времени, основанных на повседневном опыте. Представление об абсолютном времени, которое течёт в раз и навсегда заданном темпе, совершенно независимо от материи и её движения, оказывается неправильным. Основными следствиями являются следующие. Относительность расстояний, которая выражается формулой:

    (4.1)
    (4.1)

    где (4.2) — длина тела в системе отсчёта (4.2), относительно которой тело покоится; (4.2) — длина тела в системе (4.2) относительно которой тело движется со скоростью (4.2). Как видно из формулы,   . Из неё следует, что наибольшей длиной обладает тело в той системе отсчёта, относительно которой оно покоится. В этом состоит релятивистское сокращение размеров тела в движущихся системах отсчёта. Относительность промежутка времени выражается формулой:

    (4.2)
    (4.2)

    где Таким образом, длительность события оказывается на — интервал времени между двумя событиями, происходящими в одной и той же точке инерциальной системы координат Таким образом, длительность события оказывается на — интервал времени между теми же событиями в системе отсчёта Таким образом, длительность события оказывается на , движущейся относительно системы Таким образом, длительность события оказывается на со скоростью Таким образом, длительность события оказывается на. Очевидно, что   .

    Таким образом, длительность события оказывается наименьшей в неподвижной системе отсчёта. При этом чем больше относительная скорость движения двух систем, тем больше разница в длительности событий, измеренных в этих системах. Из формул (4.1) и (4.2) следует также, что скорость света — это предельная скорость тела при любом движении, поскольку при   формулы теряют смысл.

    Релятивистский закон сложения скоростей для частного случая движения тела со скоростью (4.3) вдоль оси (4.3) системы отсчёта (4.3), которая, в свою очередь, движется со скоростью (4.3) относительно системы отсчёта (4.3), причём так, что координатные оси (4.3) и (4.3) совпадают, а координатные оси (4.3) и (4.3), (4.3) и (4.3) остаются параллельными, имеет вид:

    (4.3)
    (4.3)

    где Лекции: — скорость движения тела относительно системы отсчёта   . Из этой формулы видно, что луч света, распространяющийся со скоростью Лекции: в движущейся системе координат, будет распространяться с той же скоростью сив неподвижной системе координат.

    Лекции:

    1. Основной закон релятивистской динамики в физике
    2. Полная и кинетическая энергии частицы в физике
    3. Основные уравнения релятивистской механики в физике

    Теги

    Adblock
    detector