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

Първи закон на Нютон (закон за инерцията)

Има референтни системи т.нар инерционен(наричано по-нататък $-$ISO), при което всяко тяло е в покой или се движи равномерно и праволинейно, ако други тела не му действат 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 принуди да промени това състояние.

ISO $-$ е специален клас отправни системи, в които ускоренията на телата се определят само от реалните сили, действащи върху телата, а не от свойствата на отправните системи. Като следствие, ако върху тялото не действат сили или тяхното действие е компенсирано $\vec(R_())=\vec(F_1)+\vec(F_2)+\vec(F_3)+…=\vec(0_( )) $, тогава тялото или не променя скоростта си $\vec(V_())=\vec(const)$ и се движи равномерно по права линия, или е в покой $\vec(V_())=\vec (0_())$.

Има безкраен брой инерциални системи. Референтна рамка, свързана с влак, идващ от постоянна скоростпо прав участък от пътя също е инерциална система (приблизително), като системата, свързана със Земята. Всички ISO образуват клас системи, които се движат една спрямо друга равномерно и праволинейно. Ускоренията на всяко тяло в различни ISO са еднакви.

Как да установим, че дадена отправна система е инерциална? Това може да стане само чрез опит. Наблюденията показват, че с много висока степенТочността може да се разглежда като инерционна референтна система като хелиоцентрична система, в която произходът на координатите е свързан със Слънцето, а осите са насочени към определени „неподвижни“ звезди. Референтните системи, твърдо свързани със земната повърхност, строго погледнато, не са инерционни, тъй като Земята се движи по орбита около Слънцето и в същото време се върти около оста си. 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.

Отправните системи, които се движат равномерно и праволинейно спрямо някаква инерциална отправна система, също са инерциални.

Галилей установява, че никакви механични експерименти, проведени вътре в инерциална отправна система, не могат да установят дали тази система е в покой или се движи равномерно и праволинейно. Това твърдение се нарича Принципът на относителността на Галилей или механичният принцип на относителността.

Този принцип впоследствие е развит от А. Айнщайн и е един от постулатите на специалната теория на относителността. ISO 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 ISO.

Неинерциална отправна система$-$ отправна система, която не е инерционна. Свойството, описано в закона за инерцията, не работи в тези системи. Всъщност всяка отправна система, която се движи спрямо инерционна с ускорение, ще бъде неинерциална.

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 тяхното съвместно действие е същият, както ако тези тела изобщо не съществуват. Ако влиянието на други тела върху тялото е компенсирано, тогава спрямо Земята тялото е или 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)

Съществуват отправни системи, в които постъпателно движещо се тяло се намира в състояние на покой или равномерно праволинейно движение (движение по инерция), докато влияния от други тела не го изведат от това състояние.

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

Първият закон на Нютон е изпълнен само в инерциални отправни системи.

Определение

Отправните системи, спрямо които тялото, незасегнато от други тела, е в покой или се движи равномерно и праволинейно, се наричат ​​инерционни.

Дали дадена отправна система е инерциална може да се установи само експериментално. В повечето случаи референтните системи, свързани със Земята или с референтни тела, които се движат равномерно и праволинейно по отношение на земната повърхност, могат да се считат за инерционни.

Фигура 1. Инерционни референтни системи

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

Всяка друга отправна система, която се движи равномерно и праволинейно спрямо инерциалната, сама по себе си е инерциална.

Галилей установява, че никакви механични експерименти, проведени вътре в инерциална отправна система, не могат да установят дали тази система е в покой или се движи равномерно и праволинейно. Това твърдение се нарича принцип на относителността на Галилей или механичен принцип на относителността.

Този принцип впоследствие е развит от А. Айнщайн и е един от постулатите на специалната теория на относителността. ISO 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 ISO.

Ако референтното тяло се движи с ускорение, тогава референтната система, свързана с него, е неинерциална и първият закон на Нютон не е валиден в нея.

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

Фигура 2. Прояви на инерция в автобус при потегляне и спиране

Често се сблъскваме с прояви на инертност на телата в ежедневието. Когато автобусът ускори рязко, пътниците в него се навеждат назад (фиг. 2, а), а когато автобусът внезапно спре, те се навеждат напред (фиг. 2, б), а когато автобусът завива надясно, те се накланят към лявата му стена. Когато самолет излита с високо ускорение, тялото на пилота, опитвайки се да запази първоначалното си състояние на покой, се притиска към седалката.

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

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

Силата, действаща върху тялото от неинерциална отправна система, се нарича инерционна сила

Ако няколко сили действат едновременно върху тяло в неинерциална отправна система, някои от които са „обикновени“ сили, а други са инерционни, тогава тялото ще изпита една резултатна сила, която е векторната сума на всички действащи сили върху него. Тази резултатна сила не е инерционна сила. Инерционната сила е само компонент на резултантната сила.

Ако пръчка, окачена на две тънки нишки, се дърпа бавно от шнур, прикрепен към центъра й, тогава:

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

Фигура 4

Силата се прилага към средата на пръчката, където е окачен шнурът. Тъй като според първия закон на Нютон всяко тяло има инерция, част от пръчката в точката, където е окачена връвта, ще се движи под действието на приложената сила, а други части на пръчката, които не са засегнати от силата, ще останат в покой. Следователно пръчката ще се счупи в точката на окачване.

Отговор. Верен отговор 1.

Човек тегли две свързани шейни, като прилага сила под ъгъл 300 спрямо хоризонталата. Намерете тази сила, ако знаете, 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 запишем 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) \right.\]

$F=\frac(2\mu mg)((cos \alpha \ )+\mu (sin \alpha \ ))=\ \frac(2\cdot 0,3\cdot 40\cdot 9,8)((cos 30() ^\circ \ )+0,3\cdot (sin 30()^\circ \ ))=231,5\ H$

Представяме на вашето внимание видео урок, посветен на темата „Инерциални отправни 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, а също така ще обясни термина „инерция“.

На предишен урокговорихме за значението на избора на референтна рамка. Нека ви напомним, че траекторията, изминатото разстояние и скоростта ще зависят от това как избираме CO. Има редица други характеристики, свързани с избора на референтна система, и ние ще говорим за тях.

Ориз. 1. Зависимост на траекторията на падащ товар от избора на отправна система

В седми клас изучавахте понятията „инерция“ и „инерция“.

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

Инерция - Това Имоттелата поддържат 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 го преместите или, обратно, да го спрете.

Моля, имайте предвид, че тези понятия са пряко свързани с понятието " инерционна отправна система"(ISO), което ще бъде обсъдено по-долу.

Нека разгледаме движението на тялото (или състоянието на покой) в случая, когато тялото не се въздейства от други тела. Заключението за това как ще се държи едно тяло при липса на действие на други тела е предложено за първи път от Рене Декарт (фиг. 2) и е продължено в експериментите на Галилей (фиг. 3).

Ориз. 2. Рене Декарт

Ориз. 3. Галилео Галилей

Ако едно тяло се движи и други тела не му действат, тогава движението ще се запази, то 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 референтна система: в една референтна система тялото е в покой, а в другата се движи доста успешно и с ускорена скорост. Резултатите от експериментите и разсъжденията водят до извода, че не във всички отправни системи едно тяло ще се движи праволинейно и равномерно или ще бъде в покой при липса на действие на други тела върху него.

Следователно, за да се реши основният проблем на механиката, е важно да се избере система за отчитане, при която законът на инерцията все още е изпълнен, където причината, която е причинила промяната в движението на тялото, е ясна. Ако тялото се движи праволинейно и равномерно при липса на действие на други тела, такава референтна система ще бъде за предпочитане за нас и ще се нарича инерциална отправна система(ISO).

Възгледът на Аристотел за причината за движението

Инерциалната отправна система е удобен модел за описание на движението на тялото и причините, които предизвикват това движение. Тази концепция се появява за първи път благодарение на Исак Нютон (фиг. 5).

Ориз. 5. Исак Нютон (1643-1727)

Древните гърци са си представяли движението съвсем различно. Ще се запознаем с гледната точка на Аристотел за движението (фиг. 6).

Ориз. 6. Аристотел

Според Аристотел има само една инерционна отправна система - отправната система, свързана със Земята. Всички останали референтни системи според Аристотел са вторични. Съответно всички движения могат да бъдат разделени на два вида: 1) естествени, т.е. тези, съобщавани от Земята; 2) принудени, тоест всички останали.

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

Нека да разгледаме пример за принудително движение. Това е ситуация кон, теглещ каруца. Докато конят упражнява сила, каруцата се движи (фиг. 7). Щом спря конят, спря и каруцата. Няма сила - няма скорост. Според Аристотел именно силата 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 опита да илюстрира принципа „Няма сила – няма скорост“: „Когато целият бензин свърши – каза полковникът, – колата е била спряна принудително. Лично аз видях това вчера. И след това продължават да говорят за инерция, господа. Не върви, стои там, не се движи. Без бензин! Не е ли смешно?"

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

Ориз. 8. Илюстрация например

Разбира се, че не. Но това е естествено движение - движение, което е съобщено от Земята. Тогава какво кара тази бомба да се движи напред? Аристотел отговаря по следния начин: факт е, че естественото движение, което придава Земята, пада право надолу. Но когато се движи във въздуха, бомбата се отнася от своята турбуленция и тези турбуленции сякаш тласкат бомбата напред.

Какво се случва, ако въздухът се отстрани и се създаде вакуум? В крайна сметка, ако няма въздух, тогава според Аристотел бомбата трябва да падне точно 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, към която сме свикнали. Причината за промяната на скоростта е действието на други тела върху тялото. Ако други тела не действат върху тялото или това действие е компенсирано, тогава скоростта на тялото няма да се промени.

Следните съображения могат да бъдат направени по отношение на инерционната отправна система. Представете си ситуация, когато кола се движи, тогава водачът изключва двигателя и след това колата се движи по инерция (фиг. 9). Но това е неправилно твърдение по простата причина, че след време колата ще спре в резултат 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 триене

Нека разгледаме друг случай: голям, голям трактор се движи с постоянна скорост, докато отпред 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). Това означава, че референтната система, свързана с това тяло, може да се счита за инерционна.

Ориз. 10. Тракторът се движи равномерно и праволинейно. Действието на всички тела е компенсирано

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

За инерциалните отправни системи е валидна формулата на Галилей за добавяне на скорости. Също така отбелязваме, че всички референтни системи, за които говорихме преди, могат да се считат за инерционни до известно приближение.

Законът, посветен на ISO, е формулиран за първи път от Исак Нютон. Заслугата на Нютон се състои в това, че той пръв научно доказа, че скоростта на движещо се тяло не се променя моментално, 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 такива отправни 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 ​​инерциални.

По друг начин те понякога казват следното: инерционна референтна система е система, в която са изпълнени законите на Нютон.

Защо Земята е неинерционен CO? Махалото на Фуко

IN големи количествапроблеми, 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. СО, който се движи с определено ускорение, не може да се счита за инерционен в пълния смисъл.

Земята се върти около оста си, което означава, че всички точки, разположени на нейната повърхност, непрекъснато променят посоката на своята скорост. Скоростта е векторно количество. Ако посоката му се промени, тогава се появява известно ускорение. Следователно Земята не може да бъде правилен 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 може да се забрави 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 следната траектория, различна от права линия (фиг. 13). Преместването на махалото се дължи на въртенето на Земята.

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

Въртенето на Земята се причинява от редица други интересни факти. Например при реките в северното полукълбо по правило десният бряг е по-стръмен, а левият е по-плосък. В реките на южното полукълбо е обратното. Всичко това се дължи именно на въртенето на Земята и произтичащата от това сила на Кориолис.

По въпроса за формулировката на първия закон на Нютон

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

Нека разгледаме ситуация, която ще ни покаже, че тази формулировка на първия закон на Нютон трябва да бъде коригирана. Представете си влак със завеси на прозорците. В такъв влак пътникът не може да определи дали влакът се движи или не, като гледа предмети отвън. Нека разгледаме две референтни системи: 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, която е на масата? Той ще се търкаля в обратна посока по инерция. За Катя ще бъде очевидно, че ябълката се движи по инерция, но за Володя това ще бъде неразбираемо. Той не вижда, че влакът е потеглил и изведнъж ябълка, лежаща на масата, започва да се търкаля към него. Как е възможно това? В крайна сметка, според първия закон на Нютон, ябълката трябва да остане в покой. Следователно е необходимо да се подобри дефиницията на първия закон на Нютон.

Ориз. 14. Пример за илюстрация

Правилна формулировка на първия закон на Нютонзвучи така: има отправни 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 неинерциална отправна система, а Катя е в инерциална.

Повечето от системите, реалните отправни системи, са неинерциални. Нека разгледаме един прост пример: докато седите във влак, вие поставяте някакво тяло (например ябълка) на масата. Когато влакът тръгне, ще наблюдаваме следната интересна картина: ябълката ще се движи, ще се търкаля в посока, обратна на движението на влака (фиг. 15). В този случай няма да можем да определим какви тела действат и карат ябълката да се движи. В този случай системата се нарича неинерциална. Но можете да излезете от тази ситуация, като влезете инерционна сила.

Ориз. 15. Пример за неинерционен FR

Друг пример: когато тялото се движи по крив път (фиг. 16), възниква сила, която кара тялото да се отклони от правата посока на движение. В този случай също трябва да вземем предвид неинерциална отправна система, но, както и в предишния случай, можем да излезем и от ситуацията, като въведем т.нар. инерционни сили.

Ориз. 16. Инерционни сили при движение по заоблена траектория

Заключение

Има безкраен брой отправни системи, но повечето от тях са тези, които не можем да считаме за инерциални отправни системи. Инерциалната отправна система е идеализиран модел. Между другото, с такава референтна система можем да приемем 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. Перишкин А.В., Гутник Е.М. Физика. 9. клас: учебник за общообразовател. институции / А. В. Перишкин, Е. М. Гутник. - 14-то изд., стереотип. - М.: Дропла, 2009. - 300.
3. Соколович Ю.А., Богданова Г.С. Физика: Справочник с примери за решаване на задачи. - 2-ро издание, преработка. - 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 определенията за инерциални и неинерциални отправни системи. Дайте примери за такива системи.
2. Изложете първия закон на Нютон.
3. В ISO тялото е в покой. Определете каква е стойността на неговата скорост в ISO, която се движи спрямо първия референтен кадър 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 създаден от Галилей. Но Нютон дава строга формулировка на този закон и го включва сред основните закони на механиката. Законът за инерцията важи за 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 опит. Невъзможно е обаче да се проведе нито един експеримент, който да покаже в чист вид как се движи тяло, което не взаимодейства с нищо, тъй като няма такива тела. Как да бъдем?

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

От друга страна, лесно се забелязва, че когато скоростта на едно тяло се променя, винаги се открива влиянието на други тела върху него. От това можем да стигнем до извода, че тяло, което е достатъчно отдалечено от други тела и поради тази причина не взаимодейства с тях, се движи с постоянна скорост.

Движението е относително, така че има смисъл да се говори само за движението на едно тяло по отношение на отправна система, свързана с друго тяло. Веднага възниква въпросът: свободно тяло ще се движи ли с постоянна скорост спрямо някое друго тяло? Отговорът, разбира се, е отрицателен. 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 (материална точка), при липса на външни въздействия върху него (или при тяхната взаимна компенсация), поддържа състояние на покой или равномерно праволинейно движение.

Инерционна отправна система

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

Референтни системи, при които е изпълнен първият закон на Нютон, се наричат ​​инерционни.

Инерциални референтни системи- това са системи, спрямо които дадена материална точка, при липса на външни въздействия върху нея или тяхната взаимна компенсация, е в покой или се движи равномерно и праволинейно.

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

Как да установим, че дадена отправна система е инерциална? 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 произходът на координатите е свързан със Слънцето, а осите са насочени към определени „неподвижни“ звезди. Референтните системи, твърдо свързани със земната повърхност, строго погледнато, не са инерционни, тъй като Земята се движи по орбита около Слънцето и в същото време се върти около оста си. 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.

Инерциалните отправни системи са тези, които се движат равномерно и праволинейно спрямо някаква инерциална отправна система..

Галилео откри това никакви механични експерименти, проведени вътре в инерционна отправна система, не могат да установят дали тази система 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 развит от А. Айнщайн и е един от постулатите на специалната теория на относителността. Инерционните отправни 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 отправна система. По-нататък ще използваме само инерционни системи (без да споменаваме това всеки път).

Отправни системи, в които първият закон на Нютон не е в сила, се наричат неинерционниИ.

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

В механиката на Нютон законите за взаимодействие на телата са формулирани за клас инерциални отправни 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 доста дълга нишка и извършваща малки трептения около равновесното положение. Ако системата, свързана със Земята, беше инерционна, равнината на люлеене на махалото на Фуко би останала непроменена спрямо Земята. Всъщност равнината на люлеене на махалото се върти поради въртенето на Земята, а проекцията на траекторията на махалото върху земната повърхност има формата на розетка (фиг. 1). Ориз. 2

Литература

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

Общ курс по физика

Въведение.

Физика (на гръцки от physis - природа), наука за природата, изучаваща най-простите и в същото време най- общи свойстваматериален свят (модели на природни явления, свойства и структура 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 закономерности на явленията. Следователно естествено езикът на физиката е математиката.

Материята може да съществува в две основни форми: вещество и поле. Те са взаимно свързани.

Примери: Б Повече ▼ – твърди вещества, течности, плазма, молекули, атоми, елементарни частици и др.

Поле– електромагнитно поле (кванти (порции) 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 и култура на съвременния човек.

В същото време физиката има огромно приложно значение. Именно на нея се дължат абсолютното мнозинство от техническите, информационните и комуникационните постижения на човечеството.

Освен това през последните десетилетия физични методиизследванията все повече се използват в науки, които изглеждат далеч от физиката, като социология и икономика.

Класическа механика.

Механиката е дял от 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, които са получили неговото име.

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

1. Когато две тела си взаимодействат, всяко от тях действа върху другото тяло с еднаква по стойност, но противоположна по посока сила.

Тези закони идват от опита. Цялата класическа механика е изградена върху тях. 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 разшириха и опитът показа, че законите на Нютон не винаги са валидни и в резултат на това класическата механика има определени граници на приложимост.

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

1.2. Граници на приложимост на класическата механика.

Първото ограничение е свързано със скоростите на въпросните обекти. Опитът показва, че законите на Нютон остават валидни само ако , където скоростта на светлината във вакуум ( ). При тези скорости линейните мащаби и времевите интервали 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 нерелативистка физика. Ограничението от високите скорости е първото ограничение на приложението на класическата Нютонова механика.

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

(), адекватно описание на наблюдаваните явления е дадено от др

закони - квантово. Те са тези, които трябва да се използват, когато характеристичната величина, която описва системата и има размерността , е сравнимо с константата на Планк Да кажем, че за електрон, намиращ се в атом, имаме . Тогава величината с размерността на ъгловия момент е равна на: .

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

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 маркирани. Маркирането се извършва чрез въвеждане на еталонни тела и еталонни (мащабни) тела.

Референтни рамки. Инерциални референтни системи.

За да се опише движението на използвано тяло или модел - материална точкаможе да се прилага векторен методописания, когато позицията на обекта, който ни интересува, е зададена с помощта на радиус вектор сегмент, насочен от референтното тяло към точка, която ни интересува, чието положение в пространството може да се промени с времето. Геометричното място на краищата на радиус вектора се нарича траекторияподвижна точка.

2.1. Координатни системи.

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

В механиката и като цяло във физиката е удобно да се използват различни координатни системи за различни задачи. Най-често използвани са т.нар Декартови, цилиндрични и сферичникоординатни системи.

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

Радиус-векторът, определящ позицията на точка, се определя чрез нейните координати като

. (2.1)

Малък обем в декартовата система:

,

или в безкрайно малки стъпки:

(2.2)

2) Цилиндрична координатна система: избраните променливи са разстоянието от оста, ъгълът на завъртане спрямо оста x и височината по оста от референтното тяло.

3) Сферична координатна система: въведете разстоянието от референтното тяло до точката на интерес и ъглите

въртене и , измерено съответно от осите и .

Радиус вектор – функция на променливи

,

граници на промени в координатите:

Декартови координатиса свързани със следните сферични отношения

(2.6)

Обемен елемент в сферични координати:

(2.7)

2.2. Справочна система.

За да се изгради референтна система, координатна система, твърдо свързана с референтното тяло, трябва да бъде допълнена с часовник. Часовниците могат да бъдат разположени на различни точки в пространството, така че те трябва да бъдат синхронизирани. Синхронизирането на часовника се извършва с помощта на сигнали. Нека времето за разпространение на сигнала от точката, в която се е случило събитието, до точката на наблюдение е равно на . След това часовникът ни трябва да показва часа в момента, в който се появи сигналът , ако часовникът в точката на събитието в момента на неговото възникване показва часа. Ние 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 . Затова в цялото пространство е въведен един часовник.

Тоталност референтни тела, координатни системи и часовнициформа Референтна рамка(ТАКА).

Има безкраен брой отправни системи. Опитът показва, че скоростите са все още малки в сравнение със скоростта на светлината , линейните мащаби и времевите интервали не се променятпри преминаване от една отправна система към друга.

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

Ако , тогава мащабите и времевите интервали зависят от избора на референтни данни, т.е. пространството и времето стават относителни понятия. Това вече е област релативистка механика.

2.3.Инерциални референтни системи(ISO).

И така, ние сме изправени пред избора на референтна система, в която бихме могли да решим задачи на механиката (опишете движението на телата и установете причините, които го причиняват). Оказва се, че не всички отправни системи са еднакви не само във формалното описание на проблема, но, което е много по-важно, представят по различен начин причините, които предизвикват промяна в състоянието на тялото.

Референтната рамка, в която законите на механиката са формулирани най-просто, ни позволява да установим първия закон на Нютон, който постулира съществуването инерциални референтни системи– ISO.

Първият закон на класическата механика – Законът за инерцията на Галилео-Нютон.

Има отправна 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 линейно движение.

Това е инерциална референтна система (IRS).

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