Universitatea de Stat de Management

Institutul de Învățare la Distanță

Specialitate - management

după disciplină: KSE

„Mecanica newtoniană stă la baza descrierii clasice a naturii. Sarcina principală a mecanicii și limitele aplicabilității acesteia.

împlinit

Carnet de student nr 1211

Grupa Nr.UP4-1-98/2

1. Introducere.________________________________________________________________ 3

2. Mecanica newtoniană._________________________________________________ 5

2.1. Legile mișcării lui Newton.________________________________________________ 5

2.1.1. Prima lege a lui Newton.________________________________________________ 6

2.1.2. A doua lege a lui Newton.________________________________________________ 7

2.1.3. A treia lege a lui Newton._________________________________________________ 8

2.2. Legea gravitației universale _________________________________________________ 11

2.3. Sarcina principală a mecanicii._____________________________________________ 13

2.4. Limite de aplicabilitate.________________________________________________ 15

3. Concluzie._____________________________________________ 18

4. Lista referințelor.___________________________________________ 20

Newton (1643-1727)

Această lume era învăluită în întuneric adânc.

Să fie lumină! Și iată că vine Newton.

1. Introducere.

Conceptul de „fizică” își are rădăcinile în trecutul profund, în greacă înseamnă „natură”. Sarcina principală a acestei științe este de a stabili „legile” lumii înconjurătoare. Una dintre principalele lucrări ale lui Platon, un student al lui Aristotel, a fost numită „Fizica”.

Știința acelor ani avea un caracter natural-filosofic, adică. a pornit de la faptul că mișcările observate direct ale corpurilor cerești sunt mișcările lor reale. Din aceasta s-a tras o concluzie despre poziția centrală a Pământului în Univers. Acest sistem a reflectat corect unele dintre trăsăturile Pământului ca corp ceresc: faptul că Pământul este o minge, că totul gravitează spre centrul său. Astfel, această doctrină era de fapt despre Pământ. La nivelul vremii, a îndeplinit cerințele de bază pentru cunoașterea științifică. În primul rând, a explicat mișcările observate ale corpurilor cerești dintr-un punct de vedere unificat și, în al doilea rând, a făcut posibilă calcularea pozițiilor lor viitoare. În același timp, construcțiile teoretice ale grecilor antici erau de natură pur speculativă - erau complet divorțate de experiment.

Un astfel de sistem a existat până în secolul al XVI-lea, până la apariția învățăturilor lui Copernic, care și-au primit fundamentarea ulterioară în fizica experimentală a lui Galileo, culminând cu crearea mecanicii newtoniene, care a unit mișcarea corpurilor cerești și a obiectelor terestre cu cele unificate. legile mișcării. A fost cea mai mare revoluție în știința naturii, care a marcat începutul dezvoltării științei în sensul ei modern.

Galileo Galilei credea că lumea este infinită și materia este eternă. În toate procesele, nimic nu este distrus sau generat - există doar o schimbare în poziția relativă a corpurilor sau a părților lor. Materia este formată din atomi absolut indivizibili, mișcarea ei este singura mișcare mecanică universală. Corpurile cerești sunt asemănătoare Pământului și se supun acelorași legi ale mecanicii.

Pentru Newton a fost important să afle fără ambiguitate, cu ajutorul experimentelor și observațiilor, proprietățile obiectului studiat și să construiască o teorie bazată pe inducție fără a folosi ipoteze. El a pornit de la faptul că în fizică ca știință experimentală nu există loc pentru ipoteze. Recunoscând imperfecțiunea metodei inductive, el a considerat-o cea mai preferată printre altele.

Atât în ​​epoca antichității, cât și în secolul al XVII-lea, a fost recunoscută importanța studierii mișcării corpurilor cerești. Dar dacă pentru grecii antici această problemă avea mai multă semnificație filozofică, atunci pentru secolul al XVII-lea aspectul practic era predominant. Dezvoltarea navigației a necesitat dezvoltarea unor tabele astronomice mai precise în scopuri de navigație decât cele necesare în scopuri astrologice. Sarcina principală a fost determinarea longitudinii, atât de necesară astronomilor și navigatorilor. Pentru a rezolva această importantă problemă practică, au fost create primele observatoare de stat (în 1672, Paris, în 1675, Greenwich). În esență, aceasta a fost sarcina de a determina timpul absolut, care, în comparație cu ora locală, a dat un interval de timp care putea fi convertit în longitudine. A fost posibil să se determine acest timp prin observarea mișcărilor Lunii printre stele, precum și cu ajutorul unui ceas precis setat în timp absolut și ținut de observator. Pentru primul caz, au fost necesare tabele foarte precise pentru a prezice poziția corpurilor cerești, iar pentru al doilea, mecanisme de ceas absolut precise și fiabile. Lucrările în aceste direcții nu au avut succes. Numai Newton a reușit să găsească o soluție, care, datorită descoperirii legii gravitației universale și a celor trei legi de bază ale mecanicii, precum și a calculului diferențial și integral, a dat mecanicii caracterul unei teorii științifice integrale.

2. Mecanica newtoniană.

Punctul culminant al lucrării științifice a lui I. Newton este lucrarea sa nemuritoare „Principiile matematice ale filosofiei naturale”, publicată pentru prima dată în 1687. În ea, el a rezumat rezultatele obținute de predecesorii săi și propriile sale cercetări și a creat pentru prima dată un singur sistem armonios de mecanică terestră și cerească, care a stat la baza întregii fizicii clasice. Aici Newton a dat definiții ale conceptelor inițiale - cantitatea de materie, echivalent cu masă, densitate; cantitatea de mișcare echivalentă cu impulsul și diferitele tipuri de forță. Formulând conceptul de cantitate de materie, el a pornit de la ideea că atomii constau dintr-o singură materie primară; Densitatea a fost înțeleasă ca gradul în care o unitate de volum a unui corp este umplută cu materie primară. Această lucrare conturează doctrina gravitației universale a lui Newton, pe baza căreia a dezvoltat teoria mișcării planetelor, sateliților și cometelor care formează sistemul solar. Pe baza acestei legi, el a explicat fenomenul mareelor ​​și comprimarea lui Jupiter.

Conceptul lui Newton a stat la baza multor progrese tehnice pe o perioadă lungă de timp. Pe fundația sa s-au format multe metode de cercetare științifică în diverse domenii ale științelor naturale.

2.1. Legile mișcării lui Newton.

Dacă cinematica studiază mișcarea unui corp geometric, care nu are proprietăți ale unui corp material, cu excepția capacității de a ocupa un anumit loc în spațiu și de a schimba această poziție în timp, atunci dinamica studiază mișcarea corpurilor reale sub acțiune. de forţe aplicate acestora. Cele trei legi ale mecanicii stabilite de Newton stau la baza dinamicii și formează secțiunea principală a mecanicii clasice.

Ele pot fi aplicate direct celui mai simplu caz de mișcare, când corpul în mișcare este considerat ca punct material, adică. când nu se ia în considerare dimensiunea și forma corpului și când mișcarea corpului este considerată ca mișcarea unui punct cu masă. În apă clocotită, pentru a descrie mișcarea unui punct, puteți alege orice sistem de coordonate, în raport cu care sunt determinate cantitățile care caracterizează această mișcare. Orice corp care se mișcă în raport cu alte corpuri poate fi luat ca corp de referință. În dinamică, se ocupă de sisteme de coordonate inerțiale, caracterizate prin faptul că în raport cu acestea un punct material liber se mișcă cu o viteză constantă.

2.1.1. Prima lege a lui Newton.

Legea inerției a fost stabilită pentru prima dată de Galileo pentru cazul mișcării orizontale: atunci când un corp se mișcă de-a lungul unui plan orizontal, atunci mișcarea sa este uniformă și ar continua constant dacă planul s-ar extinde în spațiu fără sfârșit. Newton a dat o formulare mai generală a legii inerției ca prima lege a mișcării: fiecare corp este într-o stare de repaus sau mișcare rectilinie uniformă până când forțele care acționează asupra lui schimbă această stare.

În viață, această lege descrie cazul în care, dacă încetați să trageți sau să împingeți un corp în mișcare, atunci acesta se oprește și nu continuă să se miște cu o viteză constantă. Deci mașina cu motorul oprit se oprește. Conform legii lui Newton, asupra unei mașini care rulează prin inerție trebuie să acționeze o forță de frânare, care în practică este rezistența aerului și frecarea anvelopelor auto pe suprafața autostrăzii. Îi spun mașinii o accelerație negativă până când se oprește.

Dezavantajul acestei formulări a legii este că nu conținea o indicație a necesității de a raporta mișcarea la un sistem de coordonate inerțiale. Cert este că Newton nu a folosit conceptul de sistem de coordonate inerțiale - în schimb, a introdus conceptul de spațiu absolut - omogen și nemișcat, - cu care a conectat un anumit sistem de coordonate absolut, în raport cu care viteza corpului era determinat. Când s-a dezvăluit golul spațiului absolut ca sistem de referință absolut, legea inerției a început să fie formulată diferit: în raport cu sistemul de coordonate inerțiale, un corp liber menține o stare de repaus sau o mișcare rectilinie uniformă.

2.1.2. A doua lege a lui Newton.

În formularea celei de-a doua legi, Newton a introdus conceptele:

Accelerația este o mărime vectorială (Newton a numit-o impuls și a luat-o în considerare la formularea regulii paralelogramului a vitezelor), care determină viteza de schimbare a vitezei unui corp.

Forța este o mărime vectorială, înțeleasă ca măsură a acțiunii mecanice asupra corpului de către alte corpuri sau câmpuri, în urma căreia corpul capătă accelerație sau își schimbă forma și dimensiunea.

Masa unui corp este o mărime fizică, una dintre principalele caracteristici ale materiei, care îi determină proprietățile inerțiale și gravitaționale.

A doua lege a mecanicii spune: forța care acționează asupra unui corp este egală cu produsul dintre masa corpului și accelerația dată de această forță. Aceasta este formularea sa modernă. Newton a formulat-o diferit: modificarea impulsului este proporțională cu forța care acționează aplicată și are loc în direcția dreptei de-a lungul căreia acționează această forță și este invers proporțională cu masa corpului sau matematic:

Este ușor de confirmat această lege prin experiență, dacă un cărucior este atașat la capătul arcului și arcul este eliberat, atunci în timp t carul va trece pe drum s 1(Fig. 1), apoi atașați două cărucioare la același arc, adică. dublați greutatea corpului și eliberați arcul, apoi în același timp t vor merge pe drum s2, de două ori mai mic decât s 1 .

Această lege este valabilă și numai în cadrele de referință inerțiale. Din punct de vedere matematic, prima lege este un caz special al celei de-a doua legi, deoarece dacă forțele rezultante sunt zero, atunci accelerația este și ea zero. Cu toate acestea, prima lege a lui Newton este considerată drept o lege independentă, deoarece el este cel care afirmă existenţa sistemelor inerţiale.

2.1.3. a treia lege a lui Newton.

A treia lege a lui Newton spune: există întotdeauna o reacție egală și opusă la o acțiune, în caz contrar corpurile acționează unul asupra celuilalt cu forțe îndreptate de-a lungul unei linii drepte, egale ca mărime și opuse ca direcție sau matematic:

Newton a extins operarea acestei legi la cazul ciocnirilor de corpuri și la cazul atracției lor reciproce. Cea mai simplă demonstrație a acestei legi este un corp situat pe un plan orizontal, asupra căruia acționează forța gravitației F tși susține forța de reacție F despre, întinsă pe o singură linie dreaptă, egală ca valoare și direcționată opus, egalitatea acestor forțe permite corpului să fie în repaus (Fig. 2).

Consecințele decurg din cele trei legi fundamentale ale mișcării ale lui Newton, dintre care una este adăugarea impulsului conform regulii paralelogramului. Accelerația unui corp depinde de mărimile care caracterizează acțiunea altor corpuri asupra unui corp dat, precum și de mărimile care determină trăsăturile acestui corp. Acțiunea mecanică asupra corpului de la alte corpuri, care modifică viteza de mișcare a acestui corp, se numește forță. Poate avea o natură diferită (gravitație, elasticitate etc.). Modificarea vitezei unui corp nu depinde de natura forțelor, ci de mărimea acestora. Deoarece viteza și forța sunt vectori, acțiunea mai multor forțe se adună conform regulii paralelogramului. Proprietatea unui corp, de care depinde accelerația dobândită de acesta, este inerția, măsurată prin masă. În mecanica clasică, care se ocupă de viteze mult mai mici decât viteza luminii, masa este o caracteristică a corpului însuși, indiferent dacă se mișcă sau nu. Masa unui corp în mecanica clasică nu depinde nici de interacțiunea corpului cu alte corpuri. Această proprietate a masei l-a determinat pe Newton să accepte masa ca măsură a materiei și să creadă că mărimea ei determină cantitatea de materie din corp. Astfel, masa a început să fie înțeleasă ca cantitatea de materie.

Cantitatea de materie este masurabila, fiind proportionala cu greutatea corpului. Greutatea este forța cu care un corp acționează asupra unui suport care îl împiedică să cadă liber. Numeric, greutatea este egală cu produsul dintre masa corpului și accelerația gravitației. Datorită compresiei Pământului și rotației sale zilnice, greutatea corporală se modifică odată cu latitudinea și este cu 0,5% mai mică la ecuator decât la poli. Deoarece masa și greutatea sunt strict proporționale, sa dovedit a fi posibil să se măsoare practic masa sau cantitatea de materie. Înțelegerea faptului că greutatea este un efect variabil asupra corpului l-a determinat pe Newton să stabilească caracteristica internă a corpului - inerția, pe care a considerat-o ca fiind capacitatea inerentă a corpului de a menține mișcarea rectilinie uniformă proporțională cu masa. Masa ca măsură a inerției poate fi măsurată cu o balanță, așa cum a făcut Newton.

Într-o stare de imponderabilitate, masa poate fi măsurată prin inerție. Măsurarea inerției este o modalitate obișnuită de a măsura masa. Dar inerția și greutatea sunt concepte fizice diferite. Proporționalitatea lor între ele este foarte convenabilă din punct de vedere practic - pentru măsurarea masei cu ajutorul cântarelor. Astfel, stabilirea conceptelor de forță și masă, precum și metoda de măsurare a acestora, i-au permis lui Newton să formuleze a doua lege a mecanicii.

Prima și a doua lege a mecanicii se referă, respectiv, la mișcarea unui punct material sau a unui corp. În acest caz, se ia în considerare doar acțiunea altor organe asupra acestui organism. Cu toate acestea, fiecare acțiune este o interacțiune. Întrucât în ​​mecanică acțiunea se caracterizează prin forță, dacă un corp acționează asupra altuia cu o anumită forță, atunci al doilea acţionează asupra primului cu aceeași forță, ceea ce fixează a treia lege a mecanicii. În formularea lui Newton, a treia lege a mecanicii este valabilă doar pentru cazul interacțiunii directe a forțelor sau pentru transferul instantaneu al acțiunii unui corp la altul. În cazul transferului unei acțiuni pe o perioadă finită de timp, această lege se aplică atunci când momentul transferării acțiunii poate fi neglijat.

2.2. Legea gravitației universale.

Se crede că nucleul dinamicii lui Newton este conceptul de forță, iar sarcina principală a dinamicii este de a stabili o lege dintr-o mișcare dată și, invers, de a determina legea mișcării corpurilor în funcție de o anumită forță. Din legile lui Kepler, Newton a dedus existența unei forțe îndreptate spre Soare, care era invers proporțională cu pătratul distanței planetelor față de Soare. Generalizând ideile exprimate de Kepler, Huygens, Descartes, Borelli, Hooke, Newton le-a dat forma exactă a unei legi matematice, conform căreia s-a afirmat existența unei forțe de gravitație universală în natură, care determină atracția corpurilor. Forța gravitației este direct proporțională cu produsul maselor corpurilor gravitatoare și invers proporțională cu pătratul distanței dintre ele sau matematic:

Unde G este constanta gravitațională.

Această lege descrie interacțiunea oricăror corpuri - este important doar ca distanța dintre corpuri să fie suficient de mare în comparație cu dimensiunile lor, acest lucru ne permite să luăm corpuri pentru punctele materiale. În teoria newtoniană a gravitației, se presupune că forța gravitațională este transferată de la un corp gravitator la altul instantaneu și fără medierea vreunui mediu. Legea gravitației universale a provocat discuții lungi și furioase. Acest lucru nu a fost întâmplător, deoarece această lege avea o semnificație filozofică importantă. Concluzia a fost că, înainte de Newton, scopul creării teoriilor fizice era să identifice și să prezinte mecanismul fenomenelor fizice în toate detaliile sale. În cazurile în care acest lucru nu s-a putut face, a fost invocat argumentul cu privire la așa-numitele „calități ascunse”, care nu pot fi interpretate în detaliu. Bacon și Descartes au declarat referirile la „calitățile ascunse” ca fiind neștiințifice. Descartes credea că este posibil să înțelegem esența unui fenomen natural doar dacă este imaginat vizual. Astfel, el a reprezentat fenomenele gravitației cu ajutorul vârtejurilor eterice. În contextul utilizării pe scară largă a unor astfel de idei, legea gravitației universale a lui Newton, în ciuda faptului că a demonstrat corespondența observațiilor astronomice făcute pe baza ei cu o acuratețe fără precedent, a fost pusă la îndoială pe motiv că atracția reciprocă a corpurilor semăna foarte mult. doctrina peripatetică a „calităților ascunse”. Și deși Newton a stabilit existența sa pe baza analizei matematice și a datelor experimentale, analiza matematică nu a devenit încă ferm stabilită în mintea cercetătorilor ca metodă suficient de fiabilă. Dar dorința de a limita cercetarea fizică la fapte care nu pretind a fi adevăr absolut ia permis lui Newton să finalizeze formarea fizicii ca știință independentă și să o separe de filosofia naturală cu pretențiile sale de cunoaștere absolută.

În legea gravitației universale, știința a primit un exemplu de lege a naturii ca o regulă absolut precisă aplicabilă peste tot, fără excepție, cu consecințe precis definite. Această lege a fost inclusă de Kant în filosofia sa, unde natura era reprezentată ca tărâmul necesității, spre deosebire de morală - tărâmul libertății.

Conceptul fizic al lui Newton a fost un fel de realizare supremă a fizicii secolului al XVII-lea. Abordarea statică a universului a fost înlocuită cu una dinamică. Metoda experimental-matematică de cercetare, făcând posibilă rezolvarea multor probleme de fizică din secolul al XVII-lea, s-a dovedit a fi potrivită pentru rezolvarea problemelor fizice pentru încă două secole.

2.3. Sarcina principală a mecanicii.

Rezultatul dezvoltării mecanicii clasice a fost crearea unui tablou mecanic unificat al lumii, în cadrul căruia întreaga diversitate calitativă a lumii a fost explicată prin diferențe în mișcarea corpurilor, supuse legilor mecanicii newtoniene. Potrivit tabloului mecanic al lumii, dacă fenomenul fizic al lumii putea fi explicat pe baza legilor mecanicii, atunci o astfel de explicație a fost recunoscută ca fiind științifică. Mecanica newtoniană a devenit astfel baza tabloului mecanic al lumii care a dominat până la revoluția științifică de la începutul secolelor al XIX-lea și al XX-lea.

Mecanica lui Newton, spre deosebire de conceptele mecanice anterioare, a făcut posibilă rezolvarea problemei oricărei etape a mișcării, atât anterioară, cât și ulterioară, și în orice punct din spațiu cu fapte cunoscute care determină această mișcare, precum și problema inversă a determinării. magnitudinea și direcția acestor factori.în orice punct cu elemente de bază cunoscute ale mișcării. Din acest motiv, mecanica newtoniană ar putea fi folosită ca metodă de analiză cantitativă a mișcării mecanice. Orice fenomen fizic ar putea fi studiat ca, indiferent de factorii care le cauzează. De exemplu, puteți calcula viteza unui satelit Pământesc: Pentru simplitate, să găsim viteza unui satelit cu o orbită egală cu raza Pământului (Fig. 3). Cu suficientă precizie, putem echivala accelerația satelitului cu accelerația căderii libere pe suprafața Pământului:

Pe de altă parte, accelerația centripetă a satelitului.

Unde . Această viteză se numește prima viteză cosmică. Un corp de orice masă, căruia îi va fi comunicată o astfel de viteză, va deveni un satelit al Pământului.

Legile mecanicii newtoniene au asociat forța nu cu mișcarea, ci cu o schimbare a mișcării. Acest lucru a făcut posibilă abandonarea noțiunii tradiționale potrivit căreia forța este necesară pentru a menține mișcarea și pentru a devia frecarea, ceea ce a făcut ca forța necesară în mecanismele de funcționare pentru menținerea mișcării, la un rol secundar. După ce a stabilit o viziune dinamică asupra lumii în loc de cea tradițională statică, Newton a făcut din dinamica sa baza fizicii teoretice. Deși Newton a fost prudent în interpretările mecanice ale fenomenelor naturale, el a considerat totuși de dorit să deducă alte fenomene naturale din principiile mecanicii. Dezvoltarea ulterioară a fizicii a început să se realizeze în direcția dezvoltării ulterioare a aparatului mecanic în raport cu soluționarea unor probleme specifice, pe măsură ce acestea au fost rezolvate, imaginea mecanică a lumii a fost întărită.

2.4. Limite de aplicabilitate.

Ca urmare a dezvoltării fizicii la începutul secolului al XX-lea, s-a determinat domeniul de aplicare al mecanicii clasice: legile acesteia sunt valabile pentru mișcările a căror viteză este mult mai mică decât viteza luminii. S-a constatat că odată cu creșterea vitezei, greutatea corporală crește. În general, legile lui Newton ale mecanicii clasice sunt valabile pentru cazul cadrelor de referință inerțiale. În cazul cadrelor de referință neinerțiale, situația este diferită. Cu mișcarea accelerată a unui sistem de coordonate non-inerțial în raport cu un sistem inerțial, prima lege a lui Newton (legea inerției) nu are loc în acest sistem - corpurile libere din acesta își vor schimba viteza de mișcare în timp.

Prima inconsecvență în mecanica clasică a fost dezvăluită atunci când a fost descoperită microlumea. În mecanica clasică, deplasările în spațiu și determinarea vitezei au fost studiate indiferent de modul în care au fost realizate aceste deplasări. În ceea ce privește fenomenele microlumii, o astfel de situație, după cum sa dovedit, este imposibilă în principiu. Aici localizarea spațio-temporală care stă la baza cinematicii este posibilă numai pentru unele cazuri particulare, care depind de condițiile dinamice specifice de mișcare. La scară macro, utilizarea cinematicii este destul de acceptabilă. Pentru microscări, unde rolul principal revine cuantelor, cinematica, care studiază mișcarea indiferent de condițiile dinamice, își pierde sensul.

Pentru scările microlumii, a doua lege a lui Newton s-a dovedit a fi insuportabilă - este valabilă numai pentru fenomene la scară largă. S-a dovedit că încercările de măsurare a oricărei mărimi care caracterizează sistemul studiat implică o modificare necontrolată a altor mărimi care caracterizează acest sistem: dacă se încearcă stabilirea poziției în spațiu și timp, aceasta duce la o modificare necontrolată a mărimii conjugate corespunzătoare. , care determină sistemele dinamice de stare. Astfel, este imposibil să măsurați cu exactitate două cantități conjugate reciproc în același timp. Cu cât se determină mai precis valoarea unei mărimi care caracterizează sistemul, cu atât este mai incertă valoarea mărimii sale conjugate. Această împrejurare a presupus o schimbare semnificativă a vederilor asupra înțelegerii naturii lucrurilor.

Discrepanța în mecanica clasică a pornit de la faptul că viitorul într-un anumit sens este complet conținut în prezent - aceasta determină posibilitatea de a prezice cu precizie comportamentul sistemului în orice moment viitor de timp. Această posibilitate oferă determinarea simultană a cantităților conjugate reciproc. În domeniul microlumilor, acest lucru s-a dovedit a fi imposibil, ceea ce introduce schimbări semnificative în înțelegerea posibilităților de previziune și a relației dintre fenomenele naturale: din moment ce valoarea cantităților care caracterizează starea sistemului la un anumit moment în timpul poate fi stabilit doar cu un anumit grad de incertitudine, atunci este exclusă posibilitatea de a prezice cu precizie valorile acestor cantități în perioadele ulterioare. momente în timp, adică se poate doar prezice probabilitatea de a obţine anumite valori.

O altă descoperire care a zdruncinat bazele mecanicii clasice a fost crearea teoriei câmpului. Mecanica clasică a încercat să reducă toate fenomenele naturale la forțele care acționează între particulele de materie - conceptul de fluide electrice s-a bazat pe aceasta. În cadrul acestui concept, doar substanța și modificările sale au fost reale - aici descrierea acțiunii a două sarcini electrice cu ajutorul conceptelor legate de acestea a fost recunoscută ca fiind cea mai importantă. Descrierea câmpului dintre aceste acuzații, și nu a acuzațiilor în sine, a fost foarte esențială pentru înțelegerea acțiunii acuzațiilor. Iată un exemplu simplu de încălcare a celei de-a treia legi a lui Newton în astfel de condiții: dacă o particulă încărcată se îndepărtează de un conductor prin care curge curent și, în consecință, se creează un câmp magnetic în jurul ei, atunci forța rezultată care acționează de la particula încărcată asupra conductorul cu curent este exact zero.

Noua realitate creată nu avea loc în tabloul mecanic al lumii. Drept urmare, fizica a început să se ocupe de două realități - materie și câmp. Dacă fizica clasică s-a bazat pe conceptul de materie, atunci odată cu revelarea unei noi realități, imaginea fizică a lumii a trebuit revizuită. Încercările de a explica fenomenele electromagnetice cu ajutorul eterului s-au dovedit a fi insuportabile. Eterul nu a fost găsit experimental. Acest lucru a condus la crearea teoriei relativității, care ne-a forțat să reconsiderăm ideile despre spațiu și timp care sunt caracteristice fizicii clasice. Astfel, două concepte - teoria cuantelor și teoria relativității - au devenit fundamentul noilor concepte fizice.

3. Concluzie.

Contribuția lui Newton la dezvoltarea științelor naturii a fost că a oferit o metodă matematică pentru transformarea legilor fizice în rezultate măsurabile cantitativ care puteau fi confirmate prin observații și, dimpotrivă, derivarea legilor fizice din astfel de observații. Așa cum el însuși a scris în prefața la „Principii”, „... propunem această lucrare ca fundamente matematice ale fizicii. Întreaga dificultate a fizicii... constă în recunoașterea forțelor naturii prin fenomenele de mișcare și atunci folosind aceste forțe pentru a explica restul fenomenelor... Ar fi de dorit să derivăm din principiile mecanicii restul fenomenelor naturii, argumentând într-un mod similar, căci multe lucruri mă fac să presupun că toate aceste fenomene sunt determinate de anumite forțe cu care particulele corpurilor, din motive încă necunoscute, sau tind între ele și se desprind în figuri regulate, sau se resping reciproc și se îndepărtează unele de altele.Deoarece aceste forțe sunt necunoscute, până acum încercările filozofilor pentru a explica fenomenele naturii au rămas infructuoase. Sper, totuși, că fie acest mod de raționament, fie altul, mai corect, temeiurile expuse aici vor oferi o oarecare iluminare."

Metoda newtoniană a devenit principalul instrument de înțelegere a naturii. Legile mecanicii clasice și metodele de analiză matematică și-au demonstrat eficacitatea. Experimentul fizic, bazat pe tehnica de măsurare, a asigurat o precizie fără precedent. Cunoștințele fizice au devenit din ce în ce mai mult baza tehnologiei și tehnologiei industriale, au stimulat dezvoltarea altor științe ale naturii. În fizică, lumina, electricitatea, magnetismul și căldura izolate anterior au fost unite în teoria electromagnetică. Și deși natura gravitației a rămas neexplicată, efectele ei au putut fi calculate. S-a stabilit conceptul de determinism mecanicist al lui Laplace, pe baza posibilității de a determina în mod unic comportamentul sistemului în orice moment, având în vedere condițiile inițiale cunoscute. Structura mecanicii ca știință părea solidă, fiabilă și aproape complet completă - adică. fenomenele care nu se încadrau în canoanele clasice existente, cu care trebuia să se ocupe, păreau destul de explicabile în viitor de minți mai sofisticate din punctul de vedere al mecanicii clasice. S-a avut impresia că cunoștințele fizicii erau aproape de completarea sa - o forță atât de puternică a fost demonstrată de fundamentul fizicii clasice.

4. Lista referințelor.

1. Karpenkov S.Kh. Concepte de bază ale științelor naturii. M.: UNITI, 1998.

2. Newton și problemele filozofice ale fizicii secolului XX. O echipă de autori, ed. M.D. Akhundova, S.V. Illarionov. M.: Nauka, 1991.

3. Gursky I.P. Fizică elementară. Moscova: Nauka, 1984.

4. Marea Enciclopedie Sovietică în 30 de volume. Ed. Prokhorova A.M., ediția a III-a, M., Enciclopedia sovietică, 1970.

5. Dorfman Ya.G. Istoria mondială a fizicii de la începutul secolului al XIX-lea până la mijlocul secolului al XX-lea. M., 1979.

S. Marshak, Op. în 4 volume, Moscova, Goslitizdat, 1959, v. 3, p. 601

Cit. Citat din: Bernal J. Science in the history of society. M., 1956.S.265

Mecanica este studiul echilibrului și mișcării corpurilor (sau părților lor) în spațiu și timp. Mișcarea mecanică este cea mai simplă și în același timp (pentru oameni) cea mai comună formă a existenței materiei. Prin urmare, mecanica ocupă un loc excepțional de important în știința naturii și este principala subsecțiune a fizicii. A apărut din punct de vedere istoric și s-a format ca știință mai devreme decât alte subsecțiuni ale științelor naturale.

Mecanica include statica, cinematica si dinamica. În statică se studiază condițiile de echilibru a corpurilor, în cinematică - mișcările corpurilor din punct de vedere geometric, adică. fără a ține cont de acțiunea forțelor, ci în dinamică – ținând cont de aceste forțe. Statica și cinematica sunt adesea privite ca o introducere în dinamică, deși au și o semnificație independentă.

Până acum, prin mecanică am înțeles mecanica clasică, a cărei construcție a fost finalizată la începutul secolului XX. În cadrul fizicii moderne, mai există două mecanici - cuantică și relativistă. Dar mai detaliat vom lua în considerare mecanica clasică.

Mecanica clasică consideră mișcarea corpurilor cu viteze mult mai mici decât viteza luminii. Conform teoriei relativității speciale, pentru corpurile care se mișcă cu viteze mari apropiate de viteza luminii, nu există timp absolut și spațiu absolut. Prin urmare, natura interacțiunii corpurilor devine mai complicată, în special, masa corpului, se dovedește, depinde de viteza de mișcare a acestuia. Toate acestea au făcut obiectul unei analize a mecanicii relativiste, pentru care constanta vitezei luminii joacă un rol fundamental.

Mecanica clasică se bazează pe următoarele legi de bază.

Principiul relativității lui Galileo

Conform acestui principiu, există o infinitate de cadre de referință în care un corp liber este în repaus sau se mișcă cu o viteză constantă în valoare și direcție absolută. Aceste cadre de referință se numesc inerțiale și se deplasează unul față de celălalt uniform și rectiliniu. Acest principiu poate fi formulat și ca absența sistemelor de referință absolute, adică a sistemelor de referință care se disting cumva față de altele.

Cele trei legi ale lui Newton stau la baza mecanicii clasice.

• 1. Orice corp material menține o stare de repaus sau o mișcare rectilinie uniformă până când impactul altor corpuri îl face să schimbe această stare. Dorința corpului de a menține o stare de repaus sau o mișcare rectilinie uniformă se numește inerție. Prin urmare, prima lege se mai numește și legea inerției.
• 2. Accelerația dobândită de corp este direct proporțională cu forța care acționează asupra corpului, și invers proporțională cu masa corpului.
• 3. Forțele cu care corpurile care interacționează acționează unele asupra altora sunt egale ca mărime și opuse ca direcție.

Cunoaștem a doua lege a lui Newton sub formă

stiintele naturii legea mecanicii clasice

F \u003d m H a sau a \u003d F / m,

unde accelerația a primită de corp sub acțiunea forței F este invers proporțională cu masa corpului m.

Prima lege se poate obține din a doua, deoarece în absența altor forțe care acționează asupra corpului, accelerația este și ea nulă. Cu toate acestea, prima lege este considerată drept o lege independentă, deoarece ea precizează existența cadrelor de referință inerțiale. În formularea matematică, a doua lege a lui Newton este cel mai adesea scrisă sub următoarea formă:

unde este vectorul rezultat al forțelor care acționează asupra corpului; -- vector de accelerare a corpului; m -- greutatea corporală.

A treia lege a lui Newton precizează unele proprietăți ale conceptului de forță introdus în a doua lege. El postulează prezența pentru fiecare forță care acționează asupra primului corp din al doilea, egală ca mărime și opusă ca direcție forței care acționează asupra celui de-al doilea corp față de primul. Prezența celei de-a treia legi a lui Newton asigură îndeplinirea legii conservării impulsului pentru un sistem de corpuri.

Legea conservării impulsului

Această lege este o consecință a legilor lui Newton pentru sistemele închise, adică sistemele care nu sunt afectate de forțele externe sau acțiunile forțelor externe sunt compensate și forța rezultată este zero. Dintr-un punct de vedere mai fundamental, există o relație între legea conservării impulsului și omogenitatea spațiului, exprimată prin teorema lui Noether.

Legea conservării energiei

Legea conservării energiei este o consecință a legilor lui Newton pentru sistemele conservative închise, adică sistemele în care acționează doar forțele conservatoare. Energia dată de un corp altuia este întotdeauna egală cu energia primită de celălalt corp. Pentru a cuantifica procesul de schimb de energie între corpurile care interacționează în mecanică, este introdus conceptul de lucru al unei forțe care provoacă mișcarea. Forța care face corpul să se miște funcționează, iar energia corpului în mișcare crește cu cantitatea de muncă cheltuită. După cum știți, un corp de masă m care se mișcă cu viteza v are o energie cinetică

Energia potențială este energia mecanică a unui sistem de corpuri care interacționează prin câmpuri de forțe, de exemplu, prin forțe gravitaționale. Munca efectuată de aceste forțe la deplasarea unui corp dintr-o poziție în alta nu depinde de traiectoria mișcării, ci depinde doar de pozițiile inițiale și finale ale corpului în câmpul de forțe. Forțele gravitaționale sunt forțe conservatoare, iar energia potențială a unui corp de masă m ridicat la o înălțime h deasupra suprafeței Pământului este egală cu

E sudoare = mgh,

unde g este accelerația de cădere liberă.

Energia mecanică totală este egală cu suma energiei cinetice și potențiale.

Apariția mecanicii clasice a fost începutul transformării fizicii într-o știință riguroasă, adică un sistem de cunoaștere care afirmă adevărul, obiectivitatea, validitatea și verificabilitatea atât a principiilor sale inițiale, cât și a concluziilor sale finale. Această apariție a avut loc în secolul XVI-XVII și este asociată cu numele lui Galileo Galilei, Rene Descartes și Isaac Newton. Ei au fost cei care au realizat „matematizarea” naturii și au pus bazele unei viziuni experimental-matematice asupra naturii. Ei au prezentat natura ca un set de puncte „materiale” care au proprietăți spațial-geometrice (formă), cantitativ-matematice (număr, mărime) și mecanice (mișcare) și relații asociate cauză-efect care pot fi exprimate în ecuații matematice.

Începutul transformării fizicii într-o știință riguroasă a fost pus de G. Galileo. Galileo a formulat o serie de principii și legi fundamentale ale mecanicii. Și anume:

- principiul inerției, conform căreia, atunci când un corp se deplasează de-a lungul unui plan orizontal fără a întâmpina nicio rezistență la mișcare, atunci mișcarea lui este uniformă și ar continua constant dacă planul s-ar extinde în spațiu fără capăt;

- principiul relativității, conform căreia în sistemele inerțiale toate legile mecanicii sunt aceleași și nu se poate, fiind în interior, să se determine dacă se mișcă în linie dreaptă și uniform sau este în repaus;

- principiul conservarii vitezeiși păstrarea intervalelor spațiale și temporale în timpul trecerii de la un sistem inerțial la altul. Este faimos Transformarea galileană.

Mecanica a primit o viziune holistică a unui sistem organizat logic-matematic de concepte de bază, principii și legi în lucrările lui Isaac Newton. În primul rând, în lucrarea „Principii matematice ale filosofiei naturale” În această lucrare, Newton introduce conceptele: greutate, sau cantitatea de materie, inerţie, sau proprietatea unui corp de a rezista la schimbarea stării de repaus sau de mișcare, greutatea, ca măsură de masă, putere, sau o acțiune efectuată asupra unui corp pentru a-și schimba starea.

Newton a făcut distincția între spațiu și timp absolut (adevărat, matematic), care nu depind de corpurile din ele și sunt întotdeauna egale cu ele însele, și spațiu și timp relativ - părți mobile ale spațiului și durate măsurabile de timp.

Un loc special în conceptul lui Newton îl ocupă doctrina lui gravitatie sau gravitația, în care combină mișcarea corpurilor „cerești” și pământești. Această predare include afirmațiile:

Gravitația unui corp este proporțională cu cantitatea de materie sau masă conținută în el;

Gravitația este proporțională cu masa;

Gravitația sau gravitatieși există acea forță care acționează între pământ și lună în proporție inversă cu pătratul distanței dintre ele;

Această forță gravitațională acționează între toate corpurile materiale aflate la distanță.

În ceea ce privește natura forței gravitației, Newton a spus: „Eu nu inventez ipoteze”.

Mecanica lui Galileo-Newton, dezvoltată în lucrările lui D. Alambert, Lagrange, Laplace, Hamilton... a primit în cele din urmă o formă armonioasă care a determinat imaginea fizică a lumii din acea vreme. Această imagine s-a bazat pe principiile identității de sine a corpului fizic; independența sa față de spațiu și timp; determinism, adică o relație strictă și neambiguă cauză-efect între stările specifice ale corpurilor fizice; reversibilitatea tuturor proceselor fizice.

Termodinamica.

Studiile procesului de transformare a căldurii în muncă și invers, efectuate în secolul al XIX-lea de S. Kalno, R. Mayer, D. Joule, G. Hemholtz, R. Clausius, W. Thomson (Lord Kelvin), au condus la concluziile despre care R. Mayer scria: „Mișcarea, căldura..., electricitatea sunt fenomene care se măsoară unul de celălalt și trec unul în celălalt după anumite legi”. Gemholtz generalizează afirmația lui Mayer în concluzia: „Suma forțelor tensionate și vii existente în natură este constantă”. William Thomson a rafinat conceptele de „forțe intense și vii” la conceptele de energie potențială și cinetică, definind energia ca fiind capacitatea de a lucra. R. Clausius a rezumat aceste idei în formularea: „Energia lumii este constantă”. Astfel, prin eforturile comune ale comunității de fizicieni, un element fundamental pentru toate fizicele cunoaşterea legii conservării şi transformării energiei.

Studiile proceselor de conservare și transformare a energiei au condus la descoperirea unei alte legi - legea creșterii entropiei. „Tranziția căldurii de la un corp mai rece la unul mai cald”, a scris Clausius, „nu poate avea loc fără compensare”. Măsura capacității căldurii de a transforma Clausius numită entropie. Esența entropiei se exprimă prin faptul că, în orice sistem izolat, procesele trebuie să se desfășoare în direcția transformării tuturor tipurilor de energie în căldură, egalând în același timp diferențele de temperatură existente în sistem. Aceasta înseamnă că procesele fizice reale decurg ireversibil. Principiul care afirmă tendința entropiei la maxim se numește a doua lege a termodinamicii. Prima lege este legea conservării și transformării energiei.

Principiul creșterii entropiei a pus o serie de probleme pentru gândirea fizică: relația dintre reversibilitatea și ireversibilitatea proceselor fizice, formalitățile de conservare a energiei, care nu este capabilă să lucreze cu omogenitatea temperaturii corpurilor. Toate acestea au necesitat o fundamentare mai profundă a principiilor termodinamicii. În primul rând, natura căldurii.

O astfel de justificare a fost făcută de Ludwig Boltzmann, care, bazându-se pe conceptul molecular-atomic al naturii căldurii, a ajuns la concluzia că statistic natura celei de-a doua legi a termodinamicii, deoarece datorită numărului mare de molecule care alcătuiesc corpurile macroscopice și vitezei extreme și aleatorii a mișcării lor, observăm doar valori medii. Determinarea valorilor medii este o problemă a teoriei probabilităților. La echilibrul maxim de temperatură, haosul mișcării moleculare este de asemenea maxim, în care orice ordine dispare. Se pune întrebarea: poate și, dacă da, cum, din haos poate apărea din nou ordinea? Fizica va putea răspunde la aceasta abia peste o sută de ani, introducând principiul simetriei și principiul sinergiei.

Electrodinamică.

Până la mijlocul secolului al XIX-lea, fizica fenomenelor electrice și magnetice ajunsese la o anumită finalizare. Au fost descoperite o serie dintre cele mai importante legi ale lui Coulomb, legea lui Ampère, legea inducției electromagnetice, legile curentului continuu etc. Pe toate aceste legi s-au bazat principiul de rază lungă. Excepție au fost opiniile lui Faraday, care credea că acțiunea electrică este transmisă printr-un mediu continuu, adică pe baza principiul razei scurte. Pe baza ideilor lui Faraday, fizicianul englez J. Maxwell introduce conceptul câmp electromagneticși descrie starea materiei „descoperită” de el în ecuațiile sale. „... Câmpul electromagnetic, – scrie Maxwell, – este acea parte a spațiului care conține și înconjoară corpuri care se află într-o stare electrică sau magnetică”. Prin combinarea ecuațiilor câmpului electromagnetic, Maxwell obține ecuația de undă, care implică existența undele electromagnetice, a cărui viteză de propagare în aer este egală cu viteza luminii. Existența unor astfel de unde electromagnetice a fost confirmată experimental de fizicianul german Heinrich Hertz în 1888.

Pentru a explica interacțiunea undelor electromagnetice cu materia, fizicianul german Hendrik Anton Lorenz a formulat o ipoteză despre existența electron, adică o particule mică încărcată electric, care este prezentă în cantități uriașe în toate corpurile grele. Această ipoteză a explicat fenomenul de scindare a liniilor spectrale într-un câmp magnetic descoperit în 1896 de către fizicianul german Zeeman. În 1897, Thomson a confirmat experimental prezența celei mai mici particule sau electron încărcate negativ.

Deci, în cadrul fizicii clasice, a apărut o imagine destul de armonioasă și completă a lumii, care descrie și explică mișcarea, gravitația, căldura, electricitatea și magnetismul și lumina. Acest lucru i-a dat lui Lord Kelvin (Thomson) un motiv să spună că clădirea fizicii este practic construită, lipsesc doar câteva detalii...

În primul rând, s-a dovedit că ecuațiile lui Maxwell sunt neinvariante în cadrul transformărilor galileene. În al doilea rând, teoria eterului, ca sistem de coordonate absolut, la care sunt „atașate” ecuațiile lui Maxwell, nu a găsit confirmare experimentală. Experimentul Michelson-Morley a arătat că nu există nicio dependență a vitezei luminii de direcție într-un sistem de coordonate în mișcare. Nu. Hendrik Lorentz, un susținător al păstrării ecuațiilor lui Maxwell, după ce a „atașat” aceste ecuații eterului ca cadru absolut de referință, a sacrificat principiul relativității lui Galileo, transformările acestuia și și-a formulat propriile transformări. Din transformările lui G. Lorentz a rezultat că intervalele spațiale și temporale sunt neinvariante în trecerea de la un cadru inerțial de referință la altul. Totul ar fi bine, dar existența unui mediu absolut - eterul, nu a fost confirmată, după cum s-a menționat, experimental. Aceasta este o criză.

fizica neclasică. Teoria specială a relativității.

Descriind logica creării teoriei speciale a relativității, Albert Einstein scrie într-o carte comună cu L. Infeld: „Acum, să punem cap la cap acele fapte care au fost suficient verificate prin experiență, fără să ne mai îngrijorăm problema eterului:

1. Viteza luminii în spațiul gol este întotdeauna constantă, indiferent de mișcarea sursei de lumină sau a receptorului.

2. În două sisteme de coordonate care se mișcă rectiliniu și uniform unul față de celălalt, toate legile naturii sunt strict aceleași și nu există nicio modalitate de a detecta mișcarea rectilinie absolută și uniformă...

Prima poziție exprimă constanța vitezei luminii, a doua generalizează principiul relativității lui Galileo, formulat pentru fenomenele mecanice, la tot ceea ce se întâmplă în natură.” Einstein notează că acceptarea acestor două principii și respingerea principiului Transformarea galileană, deoarece contrazice constanța vitezei luminii și pune începutul teoriei relativității speciale. La cele două principii acceptate: constanța vitezei luminii și echivalența tuturor cadrelor de referință inerțiale, Einstein adaugă principiul invarianței tuturor legilor naturii față de transformările lui H. Lorentz. Prin urmare, aceleași legi sunt valabile în toate cadrele inerțiale, iar trecerea de la un sistem la altul este dată de transformările lui Lorentz, ceea ce înseamnă că ritmul a unui ceas în mișcare, iar lungimea tijelor în mișcare depinde de viteză: tija se va micșora la zero dacă viteza sa atinge viteza luminii, iar ritmul ceasului în mișcare încetinește, ceasul s-ar opri complet dacă s-ar putea mișca cu ck flăcări de lumină.

Astfel, timpul absolut newtonian, spațiul, mișcarea, care erau, parcă, independente de corpurile în mișcare și de starea lor, au fost eliminate din fizică.

Teoria generală a relativității.

În cartea deja citată, Einstein întreabă: „Putem formula legile fizice în așa fel încât să fie valabile pentru toate sistemele de coordonate, nu numai pentru sistemele care se mișcă rectiliniu și uniform, ci și pentru sistemele care se mișcă complet arbitrar unul față de celălalt? " . Și el răspunde: „Se dovedește a fi posibil”.

După ce și-au pierdut „independența” față de corpurile în mișcare și unul față de celălalt în teoria relativității speciale, spațiul și timpul, așa cum ar fi, „s-au găsit” unul pe celălalt într-un singur continuum spațial-timp cu patru dimensiuni. Autorul continuum-ului, matematicianul Hermann Minkowski, a publicat în 1908 lucrarea „Fundamentul teoriei proceselor electromagnetice”, în care susținea că de acum înainte spațiul însuși și timpul însuși ar trebui reduse la rolul de umbre, și doar un fel. de conectare a ambelor ar trebui să păstreze în continuare independența. A. Ideea lui Einstein a fost să reprezintă toate legile fizice ca proprietăți acest continuum ca el metric. Din această nouă poziție, Einstein a luat în considerare legea gravitației lui Newton. În loc de forta gravitationala a început să opereze câmp gravitațional. Câmpurile gravitaționale au fost incluse în continuumul spațiu-timp ca „curbura” a acestuia. Metrica continuum a devenit o metrică non-euclidiană, „riemanniană”. „Curbura” continuumului a început să fie privită ca rezultat al distribuției maselor care se mișcă în el. Noua teorie a explicat traiectoria de rotație a lui Mercur în jurul Soarelui, care nu este în concordanță cu legea newtoniană a gravitației, precum și deviația unui fascicul de lumină a stelelor care trece în apropierea Soarelui.

Astfel, conceptul de „sistem de coordonate inerțiale” a fost eliminat din fizică și enunțul generalizat. principiul relativității: orice sistem de coordonate este la fel de potrivit pentru descrierea fenomenelor naturale.

Mecanica cuantică.

Al doilea, potrivit lui Lord Kelvin (Thomson), elementul lipsă pentru a finaliza construcția fizicii la începutul secolelor XIX-XX a fost o discrepanță serioasă între teorie și experiment în studiul legilor radiației termice a unui negru complet. corp. Conform teoriei predominante, trebuie să fie continuu, continuu. Totuși, acest lucru a condus la concluzii paradoxale, cum ar fi faptul că energia totală emisă de un corp negru la o anumită temperatură este egală cu infinitul (formula Rayleigh-Gene). Pentru a rezolva problema, fizicianul german Max Planck a înaintat în 1900 ipoteza că materia nu poate emite sau absorbi energie decât în ​​porțiuni finite (cuante) proporționale cu frecvența emisă (sau absorbită). Energia unei porțiuni (cuantică) E=hn, unde n este frecvența radiației și h este o constantă universală. Ipoteza lui Planck a fost folosită de Einstein pentru a explica efectul fotoelectric. Einstein a introdus conceptul de cuantum sau foton de lumină. El a mai sugerat că ușoară, conform formulei lui Planck, are atât proprietăți de undă, cât și proprietăți cuantice. În comunitatea fizicienilor au început să vorbească despre dualitatea undă-particulă, mai ales că în 1923 a fost descoperit un alt fenomen care confirmă existența fotonilor – efectul Compton.

În 1924, Louis de Broglie a extins ideea naturii duble corpusculare a luminii la toate particulele de materie, introducând ideea de valuri de materie. Prin urmare, se poate vorbi și despre proprietățile undei ale electronului, de exemplu, despre difracția electronului, care au fost stabilite experimental. Cu toate acestea, experimentele lui R. Feynman cu electroni care „bombardează” un scut cu două găuri au arătat că este imposibil, pe de o parte, să spunem prin ce gaură zboară un electron, adică să-i determine cu exactitate coordonatele, iar pe de altă parte. , pentru a nu distorsiona modelul de distribuție a electronilor înregistrați, fără a încălca natura interferenței. Aceasta înseamnă că putem ști fie poziția electronului, fie impulsul, dar nu ambele.

Acest experiment a pus sub semnul întrebării însăși conceptul de particule în sensul clasic de localizare precisă în spațiu și timp.

Explicația comportamentului „non-clasic” al microparticulelor a fost dată pentru prima dată de fizicianul german Werner Heisenberg. Acesta din urmă a formulat legea mișcării unei microparticule, conform căreia cunoașterea coordonatei exacte a unei particule duce la incertitudinea completă a impulsului acesteia și invers, cunoașterea exactă a impulsului particulei duce la incertitudinea completă a lui. coordonate. W. Heisenberg a stabilit raportul incertitudinilor în valorile coordonatei și impulsului unei microparticule:

Dx * DP x ³ h, unde Dx este incertitudinea valorii coordonatei; DP x - incertitudinea valorii impulsului; h este constanta lui Planck. Această lege și relația de incertitudine se numesc principiul incertitudinii Heisenberg.

Analizând principiul incertitudinii, fizicianul danez Niels Bohr a arătat că, în funcție de contextul experimentului, o microparticulă își dezvăluie fie natura corpusculară, fie natura ondulatorie. dar nu amândouă deodată. În consecință, aceste două naturi de microparticule se exclud reciproc și, în același timp, ar trebui să fie considerate complementare, iar descrierea lor se bazează pe două clase de situații experimentale (corpusculare și de undă) - o descriere integrală a microparticulei. Nu există o particulă „în sine”, ci un sistem „particulă - dispozitiv”. Aceste concluzii ale lui N. Bora au fost numite principiul complementaritatii.

În cadrul acestei abordări, incertitudinea și complementaritatea se dovedesc a nu fi o măsură a ignoranței noastre, ci proprietăți obiective ale microparticulelor, microcosmosul în ansamblu. De aici rezultă că legile statistice, probabilistice, se află în profunzimea realității fizice, iar legile dinamice ale dependenței cauzale fără ambiguitate sunt doar un caz particular și idealizat de exprimare a regularităților statistice.

Mecanica cuantică relativistă.

În 1927, fizicianul englez Paul Dirac a atras atenția asupra faptului că pentru a descrie mișcarea microparticulelor descoperite până atunci: electron, proton și foton, deoarece se mișcă cu viteze apropiate de viteza luminii, este necesară aplicarea relativității speciale. . Dirac a compilat o ecuație care a descris mișcarea unui electron, ținând cont atât de legile mecanicii cuantice, cât și de teoria relativității a lui Einstein. Această ecuație a fost satisfăcută de două soluții: o soluție a dat un electron cunoscut cu energie pozitivă, cealaltă - un electron geamăn necunoscut, dar cu energie negativă. Așa a apărut conceptul de particule și antiparticule simetrice față de acestea. Acest lucru a dat naștere la întrebarea: este vidul gol? După „expulzarea” de către Einstein a eterului, acesta părea fără îndoială gol.

Ideile moderne, bine dovedite, spun că vidul este „gol” doar în medie. Un număr mare de particule virtuale și antiparticule se nasc și dispar în mod constant în el. Acest lucru nu contrazice principiul incertitudinii, care are și expresia DE * Dt ³ h. Vidul în teoria câmpului cuantic este definit ca starea de energie cea mai scăzută a unui câmp cuantic, a cărui energie este zero doar în medie. Deci, vidul este „ceva” numit „nimic”.

Pe drumul spre construirea unei teorii unificate a câmpului.

În 1918, Emmy Noether a demonstrat că, dacă un sistem este invariant sub o transformare globală, atunci există o anumită valoare de conservare pentru el. De aici rezultă că legea conservării (a energiei) este o consecință a simetrii existente în spațiu-timp real.

Simetria ca concept filozofic înseamnă procesul de existență și formare a momentelor identice între stări diferite și opuse ale fenomenelor lumii. Aceasta înseamnă că, atunci când se studiază simetria oricăror sisteme, este necesar să se ia în considerare comportamentul acestora la diferite transformări și să se evidențieze în întregul set de transformări pe cele care lasă. imuabil, invariant unele funcţii corespunzătoare sistemelor considerate.

În fizica modernă, conceptul este folosit simetrie gabarit. Lucrătorii feroviari înțeleg trecerea de la un ecartament îngust la unul larg prin calibrare. În fizică, calibrarea a fost înțeleasă inițial ca o schimbare de nivel sau scară. În relativitatea specială, legile fizicii nu se schimbă în ceea ce privește translația sau deplasarea la calibrarea distanței. În simetria gauge, cerința de invarianță dă naștere unui anumit tip specific de interacțiune. Prin urmare, invarianța gauge permite răspunsul la întrebarea: „De ce și de ce există astfel de interacțiuni în natură?”. În prezent, existența a patru tipuri de interacțiuni fizice este determinată în fizică: gravitaționale, puternice, electromagnetice și slabe. Toate au o natură gauge și sunt descrise prin simetrii gauge, care sunt reprezentări diferite ale grupurilor Lie. Aceasta sugerează existența unui primar câmp supersimetric, care încă nu face distincție între tipuri de interacțiuni. Diferențele, tipurile de interacțiune sunt rezultatul încălcării spontane, spontane a simetriei vidului original. Evoluţia universului apare atunci ca proces sinergic de auto-organizare: în procesul de expansiune din starea supersimetrică de vid, Universul s-a încălzit până la „big bang”. Cursul ulterior al istoriei sale a trecut prin puncte critice - puncte de bifurcație, în care au avut loc încălcări spontane ale simetriei vidului inițial. Afirmație sisteme de autoorganizare prin ruperea spontană a tipului original de simetrie la punctele de bifurcație si mananca principiul sinergiei.

Alegerea direcției de autoorganizare în punctele de bifurcație, adică în punctele de încălcare spontană a simetriei inițiale, nu este întâmplătoare. Este definit ca fiind deja prezent la nivelul supersimetriei vidului de „proiectul” unei persoane, adică „proiectul” unei creaturi care întreabă de ce lumea este așa. aceasta principiul antropic, care a fost formulat în fizică în 1962 de D. Dicke.

Principiile relativității, incertitudinii, complementarității, simetriei, sinergiei, principiul antropic, precum și afirmarea naturii fundamentale profunde a dependențelor cauzale probabilistice în raport cu dependențele cauzale dinamice, lipsite de ambiguitate, constituie structura categoric-conceptual a modernului. gestalt, imaginea realității fizice.

Literatură

1. Akhiezer A.I., Rekalo M.P. Imagine fizică modernă a lumii. M., 1980.

2. Bohr N. Fizica atomică și cunoașterea umană. M., 1961.

3. Bor N. Cauzalitate și complementaritate// Bor N. Lucrări științifice alese în 2 vol. V.2. M., 1971.

4. Născut M. Fizica în viața generației mele, M., 1061.

5. Broglie L. De. Revoluție în fizică. M., 1963

6. Heisenberg V. Fizică și filozofie. Parțial și întreg. M. 1989.

8. Einstein A., Infeld L. The evolution of physics. M., 1965.

Mecanica este o ramură a fizicii care studiază cea mai simplă formă de mișcare a materiei - mișcare mecanică, care constă în schimbarea în timp a poziției corpurilor sau a părților acestora. Faptul că fenomenele mecanice apar în spațiu și timp se reflectă în orice lege a mecanicii care conține explicit sau implicit relații spațiu-timp - distanțe și intervale de timp.

Mecanica se stabilește de la sine două sarcini principale:

studiul diverselor mişcări şi generalizarea rezultatelor obţinute sub formă de legi cu ajutorul cărora se poate prezice natura mişcării în fiecare caz concret. Rezolvarea acestei probleme a condus la stabilirea de către I. Newton și A. Einstein a așa-numitelor legi dinamice;

căutarea proprietăților comune inerente oricărui sistem mecanic în procesul de mișcare a acestuia. Ca rezultat al rezolvării acestei probleme, au fost descoperite legile conservării unor cantități fundamentale precum energia, momentul și momentul unghiular.

Legile dinamice și legile conservării energiei, impulsului și momentului unghiular sunt legile de bază ale mecanicii și constituie conținutul acestui capitol.

§unu. Mișcarea mecanică: concepte de bază

Mecanica clasică este formată din trei secțiuni principale - statica, cinematica si dinamica. În statică sunt luate în considerare legile adunării forțelor și condițiile de echilibru al corpurilor. În cinematică, se oferă o descriere matematică a tuturor tipurilor de mișcare mecanică, indiferent de motivele care o cauzează. În dinamică se studiază influența interacțiunii dintre corpuri asupra mișcării lor mecanice.

În practică, totul problemele fizice sunt rezolvate aproximativ: mișcare reală complexă considerată ca un ansamblu de mișcări simple, un obiect real înlocuit cu un model idealizat acest obiect etc. De exemplu, când luăm în considerare mișcarea Pământului în jurul Soarelui, se poate neglija dimensiunea Pământului. În acest caz, descrierea mișcării este mult simplificată - poziția Pământului în spațiu poate fi determinată de un punct. Dintre modelele de mecanică, cele determinante sunt punct material și corp absolut rigid.

Punct material (sau particule) este un corp a cărui formă și dimensiuni pot fi neglijate în condițiile acestei probleme. Orice corp poate fi împărțit mental într-un număr foarte mare de părți, arbitrar de mici în comparație cu dimensiunea întregului corp. Fiecare dintre aceste părți poate fi considerată ca un punct material, iar corpul însuși - ca un sistem de puncte materiale.

Dacă deformațiile corpului în timpul interacțiunii sale cu alte corpuri sunt neglijabile, atunci este descris de model corp absolut rigid.

corp absolut rigid (sau corp rigid) este un corp, a cărui distanță dintre oricare două puncte nu se modifică în procesul de mișcare. Cu alte cuvinte, acesta este un corp, a cărui formă și dimensiuni nu se schimbă în timpul mișcării sale. Un corp absolut rigid poate fi considerat ca un sistem de puncte materiale interconectate rigid.

Poziția unui corp în spațiu poate fi determinată doar în raport cu alte corpuri. De exemplu, are sens să vorbim despre poziția unei planete în raport cu Soarele, o aeronavă sau o navă în raport cu Pământul, dar nu se poate indica poziția lor în spațiu fără a ține cont de vreun corp anume. Un corp absolut rigid, care servește la determinarea poziției unui obiect care ne interesează, se numește corp de referință. Pentru a descrie mișcarea unui obiect, un corp de referință este asociat cu orice sistem de coordonate, de exemplu, un sistem de coordonate carteziene dreptunghiulare. Coordonatele unui obiect vă permit să setați poziția acestuia în spațiu. Cel mai mic număr de coordonate independente care trebuie setat pentru a determina pe deplin poziția corpului în spațiu se numește numărul de grade de libertate. De exemplu, un punct material care se mișcă liber în spațiu are trei grade de libertate: un punct poate efectua trei mișcări independente de-a lungul axelor unui sistem de coordonate dreptunghiular carteziene. Un corp absolut rigid are șase grade de libertate: pentru a-și determina poziția în spațiu, sunt necesare trei grade de libertate pentru a descrie mișcarea de translație de-a lungul axelor de coordonate și trei pentru a descrie rotația în jurul acelorași axe. Sistemul de coordonate este echipat cu un ceas pentru a ține timpul.

Setul corpului de referință, sistemul de coordonate asociat acestuia și setul de ceasuri sincronizate între ele formează cadrul de referință.

Mecanica clasica (mecanica newtoniana)

Nașterea fizicii ca știință este asociată cu descoperirile lui Galileo și I. Newton. Deosebit de semnificativă este contribuția lui I. Newton, care a notat legile mecanicii în limbajul matematicii. I. Newton și-a conturat teoria, care este adesea numită mecanică clasică, în lucrarea sa „Principiile matematice ale filosofiei naturale” (1687).

Baza mecanicii clasice este alcătuită din trei legi și două prevederi referitoare la spațiu și timp.

Înainte de a lua în considerare legile lui I. Newton, să ne amintim ce sunt un cadru de referință și un cadru de referință inerțial, întrucât legile lui I. Newton nu sunt valabile în toate cadrele de referință, ci doar în cadrele de referință inerțiale.

Un sistem de referință este un sistem de coordonate, de exemplu, coordonate carteziene dreptunghiulare, completate de un ceas situat în fiecare punct al unui mediu solid din punct de vedere geometric. Un mediu solid din punct de vedere geometric este un set infinit de puncte, ale căror distanțe sunt fixe. În mecanica lui I. Newton, se presupune că timpul curge indiferent de poziția ceasului, adică. ceasurile sunt sincronizate și, prin urmare, timpul curge la fel în toate cadrele de referință.

În mecanica clasică, spațiul este considerat euclidian, iar timpul este reprezentat de linia dreaptă euclidiană. Cu alte cuvinte, I. Newton considera spațiul absolut, adică. este la fel peste tot. Aceasta înseamnă că tijele nedeformabile cu marcaje aplicate pot fi folosite pentru măsurarea lungimii. Dintre sistemele de referință, se pot evidenția astfel de sisteme, care, datorită luării în considerare a unui număr de proprietăți dinamice speciale, diferă de restul.

Cadrul de referință, în raport cu care corpul se mișcă uniform și rectiliniu, se numește inerțial sau galileian.

Faptul existenței sistemelor de referință inerțiale nu poate fi verificat experimental, deoarece în condiții reale este imposibil să se evidențieze o parte a materiei, să o izoleze de restul lumii, astfel încât mișcarea acestei părți a materiei să nu fie afectată. de alte obiecte materiale. Pentru a determina în fiecare caz particular dacă cadrul de referință poate fi luat ca inerțial, se verifică dacă viteza corpului este conservată. Gradul acestei aproximări determină gradul de idealizare a problemei.

De exemplu, în astronomie, atunci când se studiază mișcarea corpurilor cerești, sistemul de ordonate carteziene este adesea luat ca un sistem de referință inerțial, al cărui început este situat la centrul de masă al unei stele „fixe”, iar axele de coordonate sunt direcționat către alte stele „fixe”. De fapt, stelele se mișcă cu viteze mari în raport cu alte obiecte cerești, așa că conceptul de stea „fixă” este arbitrar. Dar, din cauza distanțelor mari dintre stele, poziția pe care am dat-o este suficientă pentru scopuri practice.

De exemplu, cel mai bun cadru inerțial de referință pentru sistemul solar va fi unul a cărui origine coincide cu centrul de masă al sistemului solar, care este situat practic în centrul soarelui, deoarece mai mult de 99% din masa noastră. sistemul planetar este concentrat în soare. Axele de coordonate ale sistemului de referință sunt direcționate către stele îndepărtate, care sunt considerate a fi fixe. Un astfel de sistem se numește heliocentric.

I. Newton a formulat afirmația despre existența sistemelor de referință inerțiale sub forma legii inerției, care se numește prima lege a lui Newton. Această lege spune: fiecare corp este într-o stare de repaus sau de mișcare rectilinie uniformă, până când influența altor corpuri îl face să schimbe această stare.

Prima lege a lui Newton nu este deloc evidentă. Înainte de G. Galileo, se credea că acest efect provoacă nu o modificare a vitezei (accelerării), ci a vitezei în sine. Această opinie s-a bazat pe fapte atât de cunoscute din viața de zi cu zi precum nevoia de a împinge constant un cărucior care se mișcă de-a lungul unui drum orizontal, plan, pentru ca mișcarea acestuia să nu încetinească. Se știe acum că împingând căruciorul, echilibrăm efectul exercitat asupra acestuia prin frecare. Dar fără a ști acest lucru, este ușor de concluzionat că acțiunea este necesară pentru a menține mișcarea neschimbată.

A doua lege a lui Newton spune: rata de schimbare a impulsului particulelor egală cu forța care acționează asupra particulei:

Unde t- greutate; t- timp; A-accelerare; v- vector viteză; p=mv- impuls; F- putere.

Cu forta numită mărime vectorială care caracterizează impactul asupra unui corp dat de la alte corpuri. Modulul acestei valori determină intensitatea impactului, iar direcția coincide cu direcția accelerației transmise corpului de acest impact.

Greutate este o măsură a inerției corpului. Sub inerţieînțelege inflexibilitatea corpului la acțiunea forței, adică. proprietatea unui corp de a rezista la schimbarea vitezei sub acțiunea unei forțe. Pentru a exprima masa unui anumit corp ca număr, este necesar să o comparăm cu masa unui corp de referință luată ca unitate.

Formula (3.1) se numește ecuația mișcării particulelor. Expresia (3.2) este a doua formulare a celei de-a doua legi a lui Newton: produsul dintre masa unei particule și accelerația acesteia este egal cu forța care acționează asupra particulei.

Formula (3.2) este valabilă și pentru corpurile extinse dacă se deplasează înainte. Dacă asupra corpului acționează mai multe forțe, atunci sub forță F formulele (3.1) și (3.2) înseamnă rezultanta lor, adică suma de forte.

Din (3.2) rezultă că pentru F= 0 (adică niciun alt corp nu acționează asupra corpului) accelerație A este egal cu zero, astfel încât corpul se mișcă în linie dreaptă și uniform. Astfel, prima lege a lui Newton este, parcă, inclusă în a doua lege ca caz special. Dar prima lege a lui Newton se formează independent de a doua, deoarece conține o afirmație despre existența cadrelor de referință inerțiale în natură.

Ecuația (3.2) are o formă atât de simplă numai dacă unitățile de forță, masă și accelerație sunt alese în mod coordonat. Cu o alegere independentă a unităților de măsură, a doua lege a lui Newton este scrisă după cum urmează:

Unde la - coeficient de proporționalitate.

Impactul corpurilor unul asupra celuilalt este întotdeauna în natura interacțiunii. În cazul în care corpul DAR actioneaza asupra organismului LA cu forta FBA apoi corpul LA actioneaza asupra organismului A cu forta F AB .

A treia lege a lui Newton prevede că forțele cu care două corpuri interacționează sunt egale ca mărime și opuse ca direcție, acestea.

Prin urmare, forțele apar întotdeauna în perechi. Rețineți că forțele din formula (3.4) sunt aplicate unor corpuri diferite și, prin urmare, nu se pot echilibra între ele.

A treia lege a lui Newton, ca și primele două, este valabilă numai în cadrele de referință inerțiale. În cadrele de referință non-inerțiale nu este valabil. În plus, se vor observa abateri de la a treia lege a lui Newton în corpurile care se mișcă la viteze apropiate de viteza luminii.

Trebuie remarcat faptul că toate cele trei legi lui Newton au apărut ca urmare a generalizării datelor unui număr mare de experimente și observații și, prin urmare, sunt legi empirice.

În mecanica newtoniană, nu toate cadrele de referință sunt egale, deoarece cadrele de referință inerțiale și non-inerțiale diferă unul de celălalt. Inegalitatea indicată mărturisește insuficienta maturitate a mecanicii clasice. Pe de altă parte, toate cadrele de referință inerțiale sunt egale și legile lui Newton sunt aceleași în fiecare dintre ele.

G. Galileo în 1636 a stabilit că într-un cadru de referință inerțial este imposibil de determinat prin orice experiment mecanic dacă este în repaus sau se mișcă uniform și rectiliniu.

Luați în considerare două cadre de referință inerțiale Nși N",în plus, sistemul jV „se mișcă în raport cu sistemul N de-a lungul axei X cu o viteză constantă v(Fig. 3.1).

Orez. 3.1.

Să începem să numărăm timpul din momentul în care originea coordonatelor despreşi o „a coincis. În acest caz, coordonatele Xși X" punct arbitrar M vor fi legate prin expresie x = x" + vt. Cu alegerea noastră de axe de coordonate y - y z~ Z- În mecanica newtoniană, se presupune că timpul curge în același mod în toate cadrele de referință, adică. t = t”. Prin urmare, am obținut un set de patru ecuații:

Se numesc ecuațiile (3.5). Transformări galileene. Ele fac posibilă trecerea de la coordonatele și timpul unui cadru de referință inerțial la coordonatele și timpul unui alt cadru de referință inerțial. Să diferențiem în funcție de timp / prima ecuație din (3.5), ținând cont de faptul că t = t deci derivata cu privire la t coincide cu derivata cu privire la G. Primim:

Derivata este proiecția vitezei particulei șiîn sistem N

pe axă X a acestui sistem, iar derivata este proiecția vitezei particulelor despre„în sistem N„pe axă X„a acestui sistem. Prin urmare, obținem

Unde v=vx=vx"- proiectia vectorului pe axa X coincide cu proiecția aceluiași vector pe axă*”.

Acum diferențiem a doua și a treia ecuație (3.5) și obținem:

Ecuațiile (3.6) și (3.7) pot fi înlocuite cu o ecuație vectorială

Ecuația (3.8) poate fi considerată fie ca o formulă pentru transformarea vitezei particulelor din sistem N"în sistem N, sau ca legea adunării vitezelor: viteza unei particule în raport cu sistemul Y este egală cu suma vitezei particulei în raport cu sistemul N"și viteza sistemului N" referitor la sistem N. Diferențiam ecuația (3.8) în funcție de timp și obținem:

prin urmare, accelerațiile particulelor în raport cu sistemele Nși WU' sunt la fel. Putere F, N, egal cu puterea F", care acționează asupra unei particule din sistem N", acestea.

Relația (3.10) va fi satisfăcută, deoarece forța depinde de distanțele dintre o particulă dată și particulele care interacționează cu ea (precum și de vitezele relative ale particulelor), iar aceste distanțe (și viteze) în mecanica clasică sunt presupuse să fie aceleași în toate cadrele de referință inerțiale. Masa are, de asemenea, aceeași valoare numerică în toate cadrele de referință inerțiale.

Din raționamentul de mai sus rezultă că dacă relația ta = F, atunci egalitatea va ține ma = F”. sisteme de referință Nși N" au fost luate în mod arbitrar, deci rezultatul obţinut înseamnă că legile mecanicii clasice sunt aceleași pentru toate cadrele de referință inerțiale. Această afirmație se numește principiul relativității lui Galileo. Se poate spune altfel: legile mecanicii lui Newton sunt invariante sub transformările galileene.

Cantitățile care au aceeași valoare numerică în toate cadrele de referință sunt numite invariante (din lat. invariantis- neschimbătoare). Exemple de astfel de mărimi sunt sarcina electrică, masa etc.

Invariante în ceea ce privește transformarea coordonatelor și a timpului în timpul tranziției de la un cadru inerțial de referință la altul se numesc ecuații, a căror formă nu se schimbă în timpul unei astfel de tranziții. Mărimile care intră în aceste ecuații se pot schimba la trecerea de la un cadru de referință la altul, dar formulele care exprimă relația dintre aceste mărimi rămân neschimbate. Exemple de astfel de ecuații sunt legile mecanicii clasice.

• O particulă înseamnă un punct material, adică. un corp ale cărui dimensiuni pot fi neglijate în comparație cu distanța față de alte corpuri.