Инерционни референтни системи. Първият закон на Нютон. Кои референтни системи се наричат ​​инерционни? Примери за инерционни референтни системи Примери за инерционни и инерционни референтни системи

Първият закон на Нютон (закон за инерцията)

Има референтни системи, наречени инерционен(по-нататък $-$ ISO), при която всяко тяло е в покой или се движи равномерно и праволинейно, ако други тела не действат върху него или действието на тези тела е компенсирано. В такива системи тялото ще поддържа първоначалното си състояние на покой или униформа праволинейно движениедокато действието на други тела не го накара да промени това състояние.

ISO $-$ е специален клас от референтни системи, в които ускоренията на телата се определят само от реалните сили, действащи върху телата, а не от свойствата на референтните системи. В резултат на това, ако върху тялото не действат сили или тяхното действие е компенсирано $\vec(R_())=\vec(F_1)+\vec(F_2)+\vec(F_3)+…=\vec(0_( )) $, то тялото или не променя скоростта си $\vec(V_())=\vec(const)$ и се движи равномерно праволинейно, или е в покой $\vec(V_())=\vec(0_( ))$.

Има безкраен брой инерционни системи. Референтната рамка, свързана с идващия влак постоянна скоростпо прав участък от пътя, също е инерционна система (приблизително), както и система, свързана със Земята. Всички IFR образуват клас системи, които се движат равномерно и праволинейно една спрямо друга. Ускоренията на всяко тяло в различни ISO са еднакви.

Как да установим, че дадена референтна система е инерционна? Това може да стане само чрез опит. Наблюденията показват, че много висока степенточност, можем да разглеждаме хелиоцентричната система като инерционна референтна система, в която началото на координатите е свързано със Слънцето, а осите са насочени към определени "неподвижни" звезди. Референтните рамки, твърдо свързани със земната повърхност, строго погледнато, не са инерционни, тъй като Земята се движи в орбита около Слънцето и в същото време се върти около собствената си ос. Въпреки това, когато се описват движения, които нямат глобален (т.е. световен) мащаб, референтните системи, свързани със Земята, могат да се считат за инерционни с достатъчна точност.

Референтните системи също са инерционни, ако се движат равномерно и праволинейно спрямо която и да е инерционна референтна система.

Галилей установи, че е невъзможно да се определи дали тази система е в покой или се движи равномерно и праволинейно чрез каквито и да е механични експерименти, поставени в инерциална референтна система. Това твърдение се нарича Принципът на относителността на Галилей или механичният принцип на относителността.

Този принцип впоследствие е разработен от А. Айнщайн и е един от постулатите на специалната теория на относителността. IFR играят изключително важна роля във физиката, тъй като според принципа на относителността на Айнщайн математическият израз на всеки закон на физиката има една и съща форма във всеки IFR.

Неинерционна отправна система$-$ референтна система, която не е инерционна. В тези системи свойството, описано в закона за инерцията, не работи. Всъщност всяка референтна система, движеща се спрямо инерцията с ускорение, ще бъде неинерционна.

Всяко тяло може да бъде повлияно от други заобикалящи го тела, в резултат на което състоянието на движение (покой) на наблюдаваното тяло може да се промени. В същото време такива въздействия могат да бъдат компенсирани (балансирани) и да не предизвикват такива промени. Когато казват, че действията на две или повече тела се компенсират взаимно, това означава, че резултатът от съвместното им действие е същият, сякаш тези тела изобщо не съществуват. Ако влиянието на други тела върху тялото се компенсира, то спрямо Земята тялото или е в покой, или се движи праволинейно и равномерно.

Така стигаме до един от основните закони на механиката, който се нарича първи закон на Нютон.

1-ви закон на Нютон (закон за инерцията)

Има такива референтни системи, в които транслационно движещо се тяло е в покой или равномерно праволинейно движение (движение по инерция), докато влиянията на други тела не го изведат от това състояние.

Във връзка с казаното, промяната в скоростта на тялото (т.е. ускорението) винаги се причинява от въздействието на някои други тела върху това тяло.

Първият закон на Нютон е валиден само в инерциални референтни системи.

Определение

Референтни системи, спрямо които едно тяло, което не е засегнато от други тела, е в покой или се движи равномерно и праволинейно, се наричат ​​инерционни.

Възможно е да се определи дали дадена референтна система е инерционна само емпирично. В повечето случаи може да се разгледат инерционни референтни системи, свързани със Земята или с референтни тела, които се движат равномерно и праволинейно по отношение на земната повърхност.

Фигура 1. Инерционни референтни системи

Понастоящем е експериментално потвърдено, че хелиоцентричната референтна система, свързана с центъра на Слънцето и три „неподвижни“ звезди, е практически инерционна.

Всяка друга референтна система, движеща се равномерно и праволинейно спрямо инерционната, сама по себе си е инерционна.

Галилей установи, че е невъзможно да се определи дали тази система е в покой или се движи равномерно и праволинейно чрез каквито и да е механични експерименти, поставени в инерциална референтна система. Това твърдение се нарича принцип на относителността на Галилей или механичен принцип на относителността.

Този принцип впоследствие е разработен от А. Айнщайн и е един от постулатите на специалната теория на относителността. IFR играят изключително важна роля във физиката, тъй като според принципа на относителността на Айнщайн математическият израз на всеки закон на физиката има една и съща форма във всеки IFR.

Ако референтното тяло се движи с ускорение, тогава референтната система, свързана с него, е неинерционна и 1-ви закон на Нютон не е валиден в него.

Свойството на телата да поддържат състоянието си във времето (скорост на движение, посока на движение, състояние на покой и др.) се нарича инерция. Самото явление на запазване на скоростта от движещо се тяло при липса на външни влияния се нарича инерция.

Фигура 2. Прояви на инерция в автобуса при започване на движение и спиране

С проявлението на инерцията на телата често се срещаме в ежедневието. При рязко ускорение на автобуса пътниците в него се навеждат назад (фиг. 2, а), а при рязко спиране на автобуса се навеждат напред (фиг. 2, б), а когато автобусът завие надясно - до лявата му стена. При голямо ускорение на излитащ самолет тялото на пилота, опитвайки се да запази първоначалното си състояние на покой, се притиска към седалката.

Инертността на телата се проявява ясно в рязка промяна в ускорението на телата на системата, когато инерционната отправна система се заменя с неинерционна и обратно.

Инертността на тялото обикновено се характеризира с неговата маса (инерционна маса).

Силата, действаща върху тялото от неинерционна отправна система, се нарича сила на инерция

Ако няколко сили едновременно действат върху тяло в неинерциална референтна система, някои от които са "обикновени" сили, а други са инерционни, тогава тялото ще изпита една резултатна сила, която е векторната сума от всички действащи върху него сили. . Тази резултантна сила не е сила на инерция. Силата на инерцията е само компонент на получената сила.

Ако пръчка, окачена на две тънки нишки, бавно бъде издърпана от шнур, прикрепен към центъра му, тогава:

1. пръчката ще се счупи;
2. кабелът се скъсва;
3. една от нишките ще се счупи;
4. всяка опция е възможна, в зависимост от приложената сила

Фигура 4

Силата се прилага към средата на пръчката, на мястото, където виси шнурът. Тъй като според 1-ви закон на Нютон всяко тяло има инерция, част от пръчката в точката на окачване на шнура ще се движи под действието на приложената сила, а други части на пръчката, върху които силата не действа , ще остане в покой. Следователно пръчката ще се счупи в точката на окачване.

Отговор. Правилен отговор 1.

Мъж дърпа две вързани шейни, прилагайки сила под ъгъл 300 спрямо хоризонта. Намерете тази сила, ако е известно, че шейната се движи равномерно. Теглото на шейната е 40 кг. Коефициент на триене 0,3.

$t_1$ = $t_2$ = $m$ = 40 кг

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

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

$g$ = 9,8 m/s2

Фигура 5

Тъй като шейната се движи с постоянна скорост, според първия закон на Нютон сумата от силите, действащи върху шейната, е нула. Нека напишем първия закон на Нютон за всяко тяло непосредствено в проекция върху оста и добавим закона на Кулон за сухото триене за шейната:

OX ос OY ос

\[\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(масив) \вдясно\]

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

Представяме на вашето внимание видео урок, посветен на темата „Инерционни референтни системи. Първият закон на Нютон, който е включен в училищен курсфизика за 9 клас. В началото на урока учителят ще ви напомни за важността на избраната референтна рамка. И тогава той ще говори за правилността и характеристиките на избраната референтна система, както и ще обясни термина "инерция".

На предишен урокговорихме за важността на избора на референтна рамка. Припомнете си, че траекторията, изминатото разстояние и скоростта ще зависят от това как изберем CO. Има редица други функции, свързани с избора на референтна система, и ние ще говорим за тях.

Ориз. 1. Зависимост на траекторията на падане на товара от избора на референтна система

В седми клас изучавахте понятията "инерция" и "инерция".

Инерция - това е явление, при което тялото се стреми да поддържа първоначалното си състояние. Ако тялото се движеше, то трябва да се стреми да поддържа скоростта на това движение. И ако е в покой, то ще се стреми да поддържа състоянието си на покой.

инерция - това е Имоттялото да поддържа състояние на движение.Свойството на инерцията се характеризира с такова количество като маса. Тегло – мярка за инерция на тялото. Колкото по-тежко е тялото, толкова по-трудно е да се движите или, обратно, да спрете.

Моля, имайте предвид, че тези понятия са пряко свързани с концепцията за " инерционна референтна система» (ISO), което ще бъде разгледано по-долу.

Помислете за движението на тялото (или състоянието на покой), ако върху тялото не действат други тела. Изводът за това как ще се държи тялото при липса на действие на други тела е предложен за първи път от Рене Декарт (фиг. 2) и продължен в опитите на Галилей (фиг. 3).

Ориз. 2. Рене Декарт

Ориз. 3. Галилео Галилей

Ако тялото се движи и върху него не действат други тела, тогава движението ще се запази, ще остане праволинейно и равномерно. Ако други тела не действат върху тялото и тялото е в покой, тогава състоянието на покой ще се запази. Но е известно, че състоянието на покой е свързано с референтната система: в една ФР тялото е в покой, а в друга се движи доста успешно и бързо. Резултатите от експериментите и разсъжденията водят до заключението, че не във всички референтни системи тялото ще се движи праволинейно и равномерно или ще бъде в покой при липса на други тела, действащи върху него.

Следователно, за да се реши основният проблем на механиката, е важно да се избере такава система за отчитане, при която законът за инерцията все пак е изпълнен, където е ясна причината, довела до промяната в движението на тялото. Ако тялото се движи праволинейно и равномерно при отсъствие на действието на други тела, такава референтна система ще бъде за предпочитане за нас и тя ще се нарича инерционна референтна система(ISO).

Гледната точка на Аристотел за причината за движението

Инерциалната референтна система е удобен модел за описване на движението на тяло и причините, които предизвикват такова движение. За първи път тази концепция се появява благодарение на Исак Нютон (фиг. 5).

Ориз. 5. Исак Нютон (1643-1727)

Древните гърци са си представяли движението по съвсем различен начин. Ще се запознаем с аристотеловата гледна точка за движението (фиг. 6).

Ориз. 6. Аристотел

Според Аристотел има само една инерционна отправна система – референтната система, свързана със Земята. Всички други референтни системи според Аристотел са вторични. Съответно всички движения могат да бъдат разделени на два вида: 1) естествени, тоест такива, които Земята отчита; 2) принудително, тоест всички останали.

Най-простият пример за естествено движение е свободното падане на тялото към Земята, тъй като Земята в този случай придава скорост на тялото.

Помислете за пример за принудително движение. Това е положението, когато конят тегли каруцата. Докато конят упражнява сила, каруцата се движи (фиг. 7). Щом конят спря, колата също спря. Няма мощност, няма скорост. Според Аристотел силата е тази, която обяснява наличието на скорост в тялото.

Ориз. 7. Принудително движение

Досега някои обикновени хора смятат гледната точка на Аристотел за справедлива. Например полковник Фридрих Краус фон Цилергут от Приключенията на добрия войник Швейк по време на световната война се опитва да илюстрира принципа „Няма мощност – няма скорост“: „Когато целият бензин излезе“, каза полковникът, „колата беше принуден да спре. Това видях вчера. И след това все още говорят за инерция, господа. Не ходи, стои, не мърда от място. Без бензин! Е, не е ли смешно?

Както в съвременния шоубизнес, където има фенове, винаги ще има критици. Аристотел също имаше своите критици. Предложиха му да направи следния експеримент: пуснете тялото и то ще падне точно под мястото, където го пуснем. Нека дадем пример за критика на теорията на Аристотел, подобно на примерите на неговите съвременници. Представете си, че летящ самолет изхвърля бомба (фиг. 8). Ще падне ли бомбата точно под мястото, където я пуснахме?

Ориз. 8. Илюстрация например

Разбира се, че не. Но в края на краищата това е естествено движение – движение, което Земята съобщава. Тогава какво кара тази бомба да се движи все по-далеч? Аристотел отговори по следния начин: факт е, че естественото движение, за което съобщава Земята, е падане право надолу. Но когато се движи във въздуха, бомбата се унася от нейните турбуленции и тези турбуленции сякаш тласкат бомбата напред.

Какво ще се случи, ако въздухът се отстрани и се създаде вакуум? В крайна сметка, ако няма въздух, тогава, според Аристотел, бомбата трябва да падне строго под мястото, където е хвърлена. Аристотел твърди, че ако няма въздух, тогава такава ситуация е възможна, но всъщност в природата няма празнота, няма вакуум. И ако няма вакуум, няма проблем.

И само Галилео Галилей формулира принципа на инерцията във формата, с която сме свикнали. Причината за промяната в скоростта е въздействието на други тела върху тялото. Ако други тела не действат върху тялото или това действие се компенсира, тогава скоростта на тялото няма да се промени.

Можем да направим следните разсъждения по отношение на инерциалната референтна система. Представете си ситуация, в която колата се движи, след това водачът изключва двигателя и след това колата се движи по инерция (фиг. 9). Но това е неправилно твърдение по простата причина, че с течение на времето колата ще спре в резултат на силата на триене. Следователно в този случай няма да има равномерно движение- липсва едно от условията.

Ориз. 9. Скоростта на автомобила се променя в резултат на силата на триене

Помислете за друг случай: голям, голям трактор се движи с постоянна скорост, докато пред себе си влачи голям товар с кофа. Такова движение може да се разглежда като праволинейно и равномерно, тъй като в този случай всички сили, които действат върху тялото, се компенсират и се балансират взаимно (фиг. 10). Следователно референтната система, свързана с това тяло, можем да считаме за инерционна.

Ориз. 10. Тракторът се движи равномерно и праволинейно. Компенсира се действието на всички тела

Може да има много инерционни референтни системи. В действителност обаче такава референтна рамка все още е идеализирана, тъй като при по-внимателно разглеждане няма такива референтни рамки в пълния смисъл. ISO е вид идеализация, която ви позволява ефективно да симулирате реални физически процеси.

За инерционните референтни системи е валидна формулата на Галилей за добавяне на скорости. Също така имайте предвид, че всички референтни системи, за които говорихме преди, могат да се считат за инерционни в някакво приближение.

Исак Нютон е първият, който формулира закона, посветен на ISO. Заслугата на Нютон се крие във факта, че той пръв научно доказа, че скоростта на движещо се тяло не се променя мигновено, а в резултат на някакво действие във времето. Този факт е в основата на създаването на закона, който наричаме първи закон на Нютон.

Първият закон на Нютон : има референтни системи, в които тялото се движи праволинейно и равномерно или е в покой, ако върху тялото не действат сили или всички сили, действащи върху тялото, са компенсирани. Такива референтни системи се наричат ​​инерционни.

По друг начин те понякога казват това: инерционната референтна система е система, в която законите на Нютон се изпълняват.

Защо Земята е неинерционен CO. Махалото на Фуко

В голям брой задачи е необходимо да се разгледа движението на тялото спрямо Земята, докато ние считаме Земята за инерционна отправна система. Оказва се, че това твърдение не винаги е вярно. Ако разгледаме движението на Земята спрямо нейната ос или спрямо звездите, тогава това движение се извършва с известно ускорение. SO, който се движи с известно ускорение, не може да се счита за инерционен в пълния смисъл.

Земята се върти около оста си, което означава, че всички точки, лежащи на нейната повърхност, непрекъснато променят посоката на скоростта си. Скоростта е векторна величина. Ако посоката му се промени, тогава се появява известно ускорение. Следователно Земята не може да бъде правилно ISO. Ако изчислим това ускорение за точки, разположени на екватора (точки, които имат максимално ускорениеспрямо точки по-близо до полюсите), тогава стойността му ще бъде . Индексът показва, че ускорението е центростремително. В сравнение с ускорението свободно падане, ускорението може да се пренебрегне и Земята може да се счита за инерционна отправна система.

Въпреки това, по време на дългосрочни наблюдения, не трябва да се забравя за въртенето на Земята. Това убедително показа френският учен Жан Бернар Леон Фуко (фиг. 11).

Ориз. 11. Жан Бернар Леон Фуко (1819-1868)

Махалото на Фуко(фиг. 12) - това е масивна тежест, окачена на много дълга нишка.

Ориз. 12. Модел на махалото на Фуко

Ако махалото на Фуко бъде извадено от равновесие, то ще опише следващата траектория, различна от права линия (фиг. 13). Изместването на махалото се дължи на въртенето на Земята.

Ориз. 13. Трептения на махалото на Фуко. Поглед отгоре.

Въртенето на Земята се дължи на серия интересни факти. Например, в реките на северното полукълбо, като правило, десният бряг е по-стръмен, а левият бряг е по-полев. В реките на южното полукълбо - напротив. Всичко това се дължи именно на въртенето на Земята и произтичащата от това сила на Кориолис.

По въпроса за формулирането на първия закон на Нютон

Първият закон на Нютон: ако върху тялото не действат тела или тяхното действие е взаимно балансирано (компенсирано), то това тяло ще бъде в покой или ще се движи равномерно и праволинейно.

Нека разгледаме ситуация, която ще ни покаже, че такава формулировка на първия закон на Нютон трябва да бъде коригирана. Представете си влак с прозорци със завеси. В такъв влак пътникът не може да определи дали влакът се движи или не по външните предмети. Нека разгледаме две референтни рамки: FR, свързана с пътника Володя и FR, свързана с наблюдателя на платформата Катя. Влакът започва да ускорява, скоростта му се увеличава. Какво ще стане с ябълката на масата? Ще се търкаля в обратна посока. За Катя ще бъде очевидно, че ябълката се движи по инерция, но за Володя ще бъде неразбираемо. Той не вижда, че влакът е започнал движението си и изведнъж върху него започва да се търкаля ябълка, лежаща на масата. Как може да бъде това? В крайна сметка, според първия закон на Нютон, ябълката трябва да остане в покой. Следователно е необходимо да се подобри определението на първия закон на Нютон.

Ориз. 14. Пример за илюстрация

Правилно формулиране на първия закон на Нютонзвучи така: има референтни системи, в които тялото се движи праволинейно и равномерно или е в покой, ако върху тялото не действат сили или всички сили, действащи върху тялото, са компенсирани.

Володя е в неинерционна отправна система, а Катя е в инерционна.

Повечето от системите, реални референтни системи - неинерционни. Помислете за един прост пример: седейки във влак, вие поставяте някакво тяло (например ябълка) на масата. Когато влакът започне да се движи, ще наблюдаваме такава любопитна картина: ябълката ще се движи, търкаля се в посока, противоположна на движението на влака (фиг. 15). В този случай няма да можем да определим какви тела действат, карат ябълката да се движи. В този случай се казва, че системата е неинерционна. Но можете да излезете от ситуацията, като влезете инерционна сила.

Ориз. 15. Пример за неинерционен CO

Друг пример: когато тялото се движи по заобикаляне на пътя (фиг. 16), възниква сила, която кара тялото да се отклони от праволинейната посока на движение. В този случай също трябва да вземем предвид неинерциална референтна система, но, както и в предишния случай, можем да излезем от ситуацията и чрез въвеждане на т.нар. инерционни сили.

Ориз. 16. Инерционни сили при движение по заоблен път

Заключение

Има безкраен брой референтни системи, но повечето от тях са тези, които не можем да считаме за инерционни референтни системи. Инерционната референтна система е идеализиран модел. Между другото, можем да приемем такава референтна система като референтна система, свързана със Земята или някои далечни обекти (например със звезди).

Библиография

1. Кикоин И.К., Кикоин А.К. Физика: Учебник за 9 клас гимназия. - М.: Просвещение.
2. Peryshkin A.V., Gutnik E.M. Физика. 9 клас: учебник за общообразователна подготовка. институции / A. V. Peryshkin, E. M. Gutnik. - 14-то изд., стереотип. - М.: Дропла, 2009. - 300.
3. Соколович Ю.А., Богданова Г.С. Физика: Наръчник с примери за решаване на проблеми. - 2-ро издание, преразпространение. - X .: Веста: Издателство "Ранок", 2005. - 464 с.

1. Интернет портал "physics.ru" ()
2. Интернет портал "ens.tpu.ru" ()
3. Интернет портал "prosto-o-slognom.ru" ()

Домашна работа

1. Формулирайте дефиниции на инерционни и неинерционни референтни системи. Дайте примери за такива системи.
2. Първият закон на Нютон.
3. В ISO тялото е в покой. Определете каква е стойността на неговата скорост в IFR, която се движи спрямо първата референтна система със скорост v?

Първият закон на механиката или законът на инерцията ( инерция- това е свойството на телата да поддържат скоростта си при липса на действие на други тела върху него ), както често се нарича, е установено от Галилей. Но Нютон дава строга формулировка на този закон и го включва сред основните закони на механиката. Законът за инерцията се отнася до най-простия случай на движение - движението на тяло, което не се влияе от други тела. Такива тела се наричат ​​свободни тела.

Невъзможно е да се отговори на въпроса как се движат свободните тела, без да се позовава на опита. Невъзможно е обаче да се направи един експеримент, който да покаже в чист вид как се движи тяло, което не взаимодейства с нищо, тъй като такива тела няма. Как да бъде?

Има само един изход. Необходимо е да се създадат условия за тялото, при които влиянието на външните влияния да става все по-малко и да се наблюдава до какво води това. Възможно е например да се наблюдава движението на гладък камък върху хоризонтална повърхност, след като му е придадена определена скорост. (Привличането на скалата към земята се балансира от действието на повърхността, върху която тя лежи, и само триенето влияе върху нейната скорост.) Лесно е обаче да се установи, че колкото по-гладка е повърхността, толкова по-бавно ще намалява скоростта на скалата. На гладък лед камъкът се плъзга много дълго време, без забележимо да променя скоростта. Триенето може да бъде намалено до минимум чрез използване на въздушна възглавница - въздушни струи, които поддържат тялото над твърда повърхност, по която се извършва движението. Този принцип се използва в воден транспорт(кораб на въздушна възглавница). Въз основа на такива наблюдения можем да заключим, че ако повърхността беше идеално гладка, тогава при липса на въздушно съпротивление (във вакуум), камъкът изобщо не би променил скоростта си. Галилей пръв стигна до това заключение.

От друга страна е лесно да се види, че когато скоростта на едно тяло се променя, винаги се открива влиянието на други тела върху него. От това може да се заключи, че тяло, достатъчно далеч от други тела и поради тази причина, което не взаимодейства с тях, се движи с постоянна скорост.

Движението е относително, следователно има смисъл да говорим само за движението на тяло по отношение на референтна система, свързана с друго тяло. Веднага възниква въпросът: дали свободното тяло ще се движи с постоянна скорост спрямо всяко друго тяло? Отговорът, разбира се, е не. Така че, ако по отношение на Земята свободно тяло се движи праволинейно и равномерно, то по отношение на въртяща се въртележка тялото със сигурност няма да се движи по този начин.

Наблюденията на движенията на телата и разсъжденията върху природата на тези движения ни водят до заключението, че свободните тела се движат с постоянна скорост, поне по отношение на определени тела и свързаните с тях референтни системи. Например по отношение на Земята. Това е основното съдържание на закона за инерцията.

Ето защо Първият закон на Нютон може да се формулира така:

има такива референтни системи, спрямо които тялото (материалната точка), при липса на външни въздействия върху него (или с тяхната взаимна компенсация), запазва състояние на покой или равномерно праволинейно движение.

Инерционна референтна система

Първият закон на Нютон твърди (това може да се провери експериментално с различна степен на точност), че инерционните системи действително съществуват. Този закон на механиката поставя инерционните референтни системи в специална, привилегирована позиция.

референтни системи, в които е изпълнен първият закон на Нютон, се наричат ​​инерционни.

Инерционни референтни системи- това са системи, по отношение на които материална точка, при липса на външни влияния върху нея или тяхното взаимно компенсиране, е в покой или се движи равномерно и праволинейно.

Има безкраен брой инерционни системи. Референтната система, свързана с влак, движещ се с постоянна скорост по прав участък от коловоза, също е инерционна система (приблизително), като системата, свързана със Земята. Всички инерционни референтни системи образуват клас от системи, които се движат една спрямо друга равномерно и праволинейно. Ускоренията на всяко тяло в различни инерционни рамки са еднакви.

Как да установим, че дадена референтна система е инерционна? Това може да стане само чрез опит. Наблюденията показват, че с много висока степен на точност хелиоцентричната система може да се счита за инерционна референтна система, в която началото на координатите е свързано със Слънцето, а осите са насочени към определени "неподвижни" звезди. Референтните рамки, твърдо свързани със земната повърхност, строго погледнато, не са инерционни, тъй като Земята се движи в орбита около Слънцето и в същото време се върти около собствената си ос. Въпреки това, когато се описват движения, които нямат глобален (т.е. световен) мащаб, референтните системи, свързани със Земята, могат да се считат за инерционни с достатъчна точност.

Инерционните референтни системи са тези, които се движат равномерно и праволинейно спрямо всяка инерциална отправна система..

Галилей установи това няма механични експерименти, поставени вътре в инерционна референтна система, невъзможно е да се установи дали тази рамка е в покой или се движи равномерно и праволинейно. Това твърдение се нарича Принципът на относителността на Галилей или механичен принцип на относителността.

Този принцип впоследствие е разработен от А. Айнщайн и е един от постулатите на специалната теория на относителността. Инерционните референтни системи играят изключително важна роля във физиката, тъй като, според принципа на относителността на Айнщайн, математическият израз на всеки закон на физиката има една и съща форма във всяка инерционна референтна система. В бъдеще ще използваме само инерционни системи (без да споменаваме това всеки път).

Наричат ​​се референтни рамки, в които първият закон на Нютон не е валиден неинерционнии.

Такива системи включват всяка референтна система, движеща се с ускорение спрямо инерциалната отправна система.

В Нютоновата механика законите за взаимодействие на телата са формулирани за класа на инерционните референтни системи.

Пример за механичен експеримент, в който се проявява неинерционността на система, свързана със Земята, е поведението Махалото на Фуко. Това е името на масивна топка, окачена на достатъчно дълга нишка и правеща малки трептения около равновесното положение. Ако системата, свързана със Земята, беше инерционна, равнината на трептене на махалото на Фуко щеше да остане непроменена спрямо Земята. Всъщност равнината на люлеене на махалото се върти поради въртенето на Земята и проекцията на траекторията на махалото върху земната повърхност изглежда като розетка (фиг. 1). Ориз. 2

литература

1. Open Physics 2.5 (http://college.ru/physics/)
2. Физика: Механика. 10 клас: Проб. за задълбочено изучаване на физиката / М.М. Балашов, A.I. Гомонова, А.Б. Долицки и др.; Изд. Г.Я. Мякишев. – М.: Дропла, 2002. – 496 с.

Общ курс по физика

Въведение.

Физика (на гръцки, от physis - природа), науката за природата, изучаваща най-простите и в същото време най- общи свойстваматериалният свят (модели на природни явления, свойствата и структурата на материята и законите на нейното движение). Концепциите на физиката и нейните закони са в основата на цялата естествена наука. Физиката принадлежи към точните науки и изучава количествените модели на явленията. Следователно, естествено, езикът на физиката е математиката.

Материята може да съществува в две основни форми: материя и поле. Те са взаимосвързани.

Примери: В неподвижност – твърди тела, течности, плазма, молекули, атоми, елементарни частици и др.

Поле- електромагнитно поле (кванти (части) от полето - фотони);

гравитационно поле (кванти на полето - гравитони).

Връзка между материя и поле– анихилация на двойка електрон-позитрон.

Физиката със сигурност е мирогледна наука и познаването на нейните основи е необходим елемент от всяко образование, култура на съвременния човек.

В същото време физиката е от голямо практическо значение. Именно тя дължи по-голямата част от техническите, информационните и комуникационните постижения на човечеството.

Освен това през последните десетилетия физически методиизследванията все повече се използват в науки, които изглеждат далеч от физиката, като социологията и икономиката.

Класическа механика.

Механиката е раздел на физиката, който изучава най-простата форма на движение на материята - движението на телата в пространството и времето.

Първоначално основните принципи (закони) на механиката като наука са формулирани от И. Нютон под формата на три закона, получили неговото име.

Използвайки векторния метод за описание, скоростта може да бъде дефинирана като производна на радиус вектора на точка или тяло , а масата действа тук като коефициент на пропорционалност.

1. Когато две тела взаимодействат, всяко от тях действа върху друго тяло със същата стойност, но противоположна по посока, сила.

Тези закони идват от опит. На тях се основава цялата класическа механика. Дълго време се смяташе, че всички наблюдавани явления могат да бъдат описани с тези закони. С течение на времето обаче границите на човешките възможности се разширяват и опитът показва, че законите на Нютон не винаги са валидни и класическата механика в резултат на това има определени граници на приложимост.

Освен това малко по-късно ще се обърнем към класическата механика от малко по-различен ъгъл - базиран на законите за запазване, които в известен смисъл са повече общи законифизика, отколкото законите на Нютон.

1.2. Граници на приложимост на класическата механика.

Първото ограничение е свързано със скоростите на разглежданите обекти. Опитът показва, че законите на Нютон остават валидни само при условие , където е скоростта на светлината във вакуум ( ). При тези скорости линейните мащаби и интервалите от време не се променят при преминаване от една отправна система към друга. Ето защо пространството и времето са абсолютнив класическата механика.

И така, класическата механика описва движение с ниски относителни скорости, т.е. това е нерелативистична физика. Ограничението от страна на високите скорости е първото ограничение на приложението на класическата нютонова механика.

Освен това опитът показва, че прилагането на законите на Нютоновата механика е незаконно за описване на микрообекти: молекули, атоми, ядра, елементарни частиции т.н. Започвайки от размерите

(), адекватно описание на наблюдаваните явления се дава от др

закони - квантово. Именно те трябва да се използват, когато е характерната величина, описваща системата и имаща размерността , е сравнимо с константата на Планк Да кажем, за електрон в атом, имаме . Тогава величината, която има размерността на ъгловия импулс, е равна на: .

Всякакви физическо явление- това е поредица от събития. събитиетова, което се случва в дадена точка от пространството в даден момент се нарича.

За да опишете събития, въведете пространство и време- категории, обозначаващи основните форми на съществуване на материята. Пространството изразява реда на съществуване на отделните обекти, а времето изразява реда на промяна на явленията. Пространството и времето трябва да бъдат отбелязани. Маркирането се извършва чрез въвеждане на референтни тела и референтни (мащабни) тела.

Референтни системи. Инерционни референтни системи.

За да се опише движението на тяло или използвания модел − материална точкаможе да се прилага векторен начинописания, когато позицията на обекта, който ни интересува, се задава с помощта на радиус вектора сегмент, насочен от референтното тяло към интересна за нас точка, чието положение в пространството може да се променя с времето. Местоположението на краищата на радиус вектора се нарича траекториядвижеща се точка.

2.1. Координатни системи.

Друг начин да се опише движението на тялото е координати, в която определена координатна система е твърдо свързана с референтното тяло.

В механиката и във физиката като цяло при различни задачи е удобно да се използват различни координатни системи. Най-често използваните т.нар Декартова, цилиндрична и сферичнакоординатни системи.

1) Декартова координатна система: въвеждат се три взаимно перпендикулярни оси с определени мащаби по всичките три оси (линийки). Референтната точка за всички оси се взема от референтното тяло. Граници на промяна на всяка от координатите от до .

Радиус векторът, който определя позицията на точка, се дефинира по отношение на нейните координати като

. (2.1)

Малък обем в Декартова система:

,

или на безкрайно малки стъпки:

(2.2)

2) Цилиндрична координатна система: Разстоянието от оста, ъгълът на въртене спрямо оста x и височината по оста от референтното тяло се избират като променливи.

3) Сферична координатна система: въведете разстоянието от референтното тяло до интересната точка и ъглите

въртене и , преброени от осите и , съответно.

Радиус вектор - функция на променливи

,

граници за промяна на координатите:

Декартовите координати са свързани със сферичните координати чрез следните отношения

(2.6)

Елемент за обем в сферични координати:

(2.7)

2.2. Референтна система.

За да се конструира референтна система, координатната система, твърдо свързана с референтното тяло, трябва да бъде допълнена с часовник. Часовниците могат да бъдат разположени в различни точки в пространството, така че трябва да бъдат синхронизирани. Синхронизацията на часовника се извършва с помощта на сигнали. Нека времето за разпространение на сигнала от точката, където се е случило събитието, до точката на наблюдение е . Тогава нашият часовник трябва да показва часа в момента, в който се появява сигналът. ако часовникът в точката на събитието в момента на възникването му показва часа . Ще считаме такива часовници за синхронизирани.

Ако разстоянието от точката в пространството, където се е случило събитието, до точката на наблюдение е, а скоростта на предаване на сигнала е, тогава . В класическата механика се приема, че скоростта на разпространение на сигнала . Следователно един часовник е въведен в цялото пространство.

Агрегат референтни тела, координатни системи и часовнициформа Референтна система(CO).

Има безкраен брой референтни системи. Опитът показва, че докато скоростите са малки в сравнение със скоростта на светлината , линейните мащаби и интервалите от време не се променятпри преминаване от една референтна система към друга.

С други думи, в класическата механика пространството и времето са абсолютни.

Ако , то мащабите и интервалите от време зависят от избора на СС, т.е. пространството и времето стават относителни понятия. Това вече е област релативистична механика.

2.3.Инерционни референтни системи(ISO).

И така, ние сме изправени пред избора на референтна система, в която бихме могли да решим проблемите на механиката (опишете движението на телата и да установим причините, които го причиняват). Оказва се, че не всички референтни рамки са еднакви не само във формалното описание на проблема, но, което е по-важно, те представляват причините, които предизвикват промяна в състоянието на тялото по различни начини.

Референтната рамка, в която законите на механиката са формулирани най-просто, ви позволява да установите първия закон на Нютон, който постулира съществуването инерционни референтни системи- ISO.

I закон на класическата механика - законът за инерцията на Галилей-Нютон.

Има такава референтна система, в която материална точка, ако изключим взаимодействието й с всички други тела, ще се движи по инерция, т.е. поддържат състояние на покой или равномерно праволинейно движение.

Това е инерционната референтна система (ISO).

В ISO промяната в движението на материална точка (ускорение) се дължи само на взаимодействието й с други тела, но не зависи от свойствата на самата референтна система.