Законы физики

                                                                ВВЕДЕНИЕ 

 Физика - наука о природе, изучающая  простейшие и вместе с тем  наиболее  общие закономерности  природы, строение и законы  движения материи.

Принято считать, что в своей основе физика является наукой экспериментальной, поскольку  открытые ею законы основаны на установленных  опытным путем данных. В целом  физика разделяется на экспериментальную, и теоретическую.

В зависимости  от ориентированности на потребителя  получаемого знания выделяют фундаментальную  и прикладную физику. В основе физики лежат фундаментальные физические принципы и теории, которые охватывают все разделы физики и наиболее полно отражают суть физических явлений  и процессов действительности.

От ранних цивилизаций, возникших на берегах  Тигра, Евфрата и Нила (Вавилон, Ассирия, Египет), не осталось никаких свидетельств о достижениях в области физических знаний, за исключением овеществленных в архитектурных сооружениях, бытовых  и т.п. изделиях знаний. Возводя различного рода сооружения и изготавливая предметы быта, оружия и т.д., люди использовали определенные результаты многочисленных физических наблюдений, технических  опытов, их обобщений.

Физические  представления в Древнем Китае  появились также на основе различного рода технической деятельности, в  процессе которой вырабатывались разнообразные  технологические рецепты. Естественно, что прежде всего вырабатывались механические представления.

В Древней  Индии основу натурфилософских представлений  составляют учение о пяти элементах - земле, воде, огне, воздухе и эфире. К VI в. до н.э. эмпирические физические представления в некоторых областях обнаруживают тенденцию перехода в  своеобразные теоретические построения (в оптике, акустике). Фалес, высказавший  мысль о том, что все вещи произошли  из воды, по сути произвел революционный  переворот в мировоззрении, означавший отказ от мифологического объяснения явлений действительности Вслед  за Фалесом по этому пути пошли  Гераклит, высказавший идею об огне, как первооснове всего существующего, Анаксимандр - апейроне, Анаксагор - гомеомериях, Анаксимен - воздухе. Эмпедокл - четырех  стихиях (огне, воздухе, воде и земле). Предшествующие концепции не допускали  существования пустоты.

                         ГЛАВА 1. ЗАКОНЫ  НЬЮТОНА

1. Первый закон Ньютона или закон инерции.

В «Механике» Аристотеля (384—322 до н. э.) утверждается, что:

Движущееся  тело останавливается, если сила, его толкающая, прекращает свое действие.

Наблюдения  действительно показывали, что тело останавливалось при прекращении  действия толкающей его силы. Естественное противодействие внешних сил (сил  трения, сопротивления воздуха и  т. п.) движению толкаемого тела, при  этом, не учитывалось. Поэтому, Аристотель связывал неизменность скорости движения любого тела с неизменностью прилагаемой к нему силы.

И только через  два тысячелетия Галилео Галилей (1564—1642) смог исправить эту ошибку Аристотеля. В своем труде «Беседы  о двух новых науках» он писал:

…скорость, однажды сообщенная движущемуся телу, будет строго сохраняться, поскольку устранены  внешние причины  ускорения или  замедления, — условие, которое обнаруживается только на горизонтальной плоскости, ибо в  случае движения по наклонной плоскости  вниз уже существует причина ускорения, в то время, как  при движении по наклонной  плоскости вверх  налицо замедление; из этого следует, что движение по горизонтальной плоскости вечно.

Это суждение нельзя вывести непосредственно  из эксперимента, так как невозможно исключить все внешние влияния (трение и т. п.). Поэтому, здесь Галилей  впервые применил метод логического  мышления, базирующийся на непосредственных наблюдениях и подобный математическому  методу доказательства «от противного». Если наклон плоскости к горизонтали  является причиной ускорения тела, движущегося по ней вниз, и замедления тела, движущегося по ней вверх, то, при движении по горизонтальной плоскости, у тела нет причин ускоряться или замедляться, и оно должно пребывать в состоянии равномерного движения или покоя.

Таким образом, Галилей просто и ясно доказал  связь между силой и изменением скорости (ускорением), а не между  силой и самой скоростью, как  считал Аристотель и его последователи. Это открытие Галилея вошло в  науку как Закон инерции, который  теперь также известен как первый закон Ньютона (1643—1727).

Закон инерции или Первый закон Ньютона: любое свободное тело, на которое не действуют силы со стороны других тел, находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения. Иными словами, телам свойственна инерция (от лат. inertia — «бездеятельность», «косность»), то есть явление сохранения скорости, если внешние воздействия на них скомпенсированы.

Первый закон  Ньютона в современной формулировке звучит так:

Существуют  такие системы  отсчёта, относительно которых любое  тело (материальная точка) при отсутствии на него внешних воздействий (или  при их взаимной компенсации) сохраняет состояние  покоя или равномерного прямолинейного движения.

Системы отсчёта, в которых выполняется закон  инерции, называют инерциальными системами  отсчёта (ИСО). Все другие системы  отсчёта называются соответственно неинерциальными. Проявлением инерции  в них является также возникновение  фиктивных сил инерции. 

                           1.2 Второй закон Ньютона

Второй  закон Ньютона  — дифференциальный закон движения, описывающий  взаимосвязь между  приложенной к  материальной точке  силой и получающимся от этого ускорением этой точки. Фактически, второй закон Ньютона  вводит массу как  мера проявления инертности материальной точки  в выбранной инерциальной системе отсчёта (ИСО).

Второй закон  Ньютона утверждает, что

В инерциальной системе  отсчета ускорение, которое получает материальная точка, прямо пропорционально  равнодействующей всех приложенных к  ней сил и обратно  пропорционально  её массе.

При подходящем выборе единиц измерения, этот закон  можно записать в виде формулы:

где — ускорение материальной точки;

• — сила, приложенная к материальной точке;

m — масса  материальной точки.

Или в более  известном виде:

В случае, когда  масса материальной точки меняется со временем, второй закон Ньютона  формулируется с использованием понятия импульс:

В инерциальной системе  отсчета скорость изменения импульса материальной точки  равна действующей  на неё силе

где   — импульс точки,

• —скорость точки;                                     

t — время;

— производная импульса по времени.

Когда на тело действуют несколько сил, с учётом принципа суперпозиции второй закон  Ньютона записывается:

или

Второй закон  Ньютона действителен только для  скоростей, много меньших скорости света и в инерциальных системах отсчёта. Для скоростей, приближенных к скорости света, используются законы теории относительности.

Нельзя рассматривать  частный случай (при ) второго закона как эквивалент первого, так как первый закон постулирует существование ИСО, а второй формулируется уже в ИСО. 
 
 

                           1.3 Третий закон Ньютона

Этот  закон объясняет, что происходит с  двумя взаимодействующими телами. Возьмём для  примера замкнутую  систему, состоящую  из двух тел. Первое тело может действовать  на второе с некоторой  силой , а второе — на первое с силой . Как соотносятся силы? Третий закон Ньютона утверждает: сила действия равна по модулю и противоположна по направлению силе противодействия. Подчеркнём, что эти силы приложены к разным телам, а потому вовсе не компенсируются.

Современная формулировка:

Тела  попарно действуют  друг на друга с  силами, имеющими одинаковую природу, направленными  вдоль прямой, соединяющей  центры масс этих тел (абсолютно-твердые  тела), равными по модулю и противоположными по направлению:

                ГЛАВА 2. ЗАКОН ВСЕМИРНОГО ТЯГОТЕНИЯ. 

Закон всемирного тяготения  гласит, что  сила гравитационного притяжения между двумя материальными точками массы m1 и m2, разделёнными расстоянием R, пропорциональна обеим массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними — то есть

Здесь G —  гравитационная постоянная, равная м³/(кг с²). Знак минус означает, что сила, действующая на тело, всегда равна по направлению радиус-вектору, направленному на тело, то есть гравитационное взаимодействие приводит всегда к притяжению любых тел.

Свойства  ньютоновского тяготения:

• В ньютоновской теории каждое массивное тело порождает силовое поле притяжения к этому телу, которое называется гравитационным полем. Это поле потенциально, и функция гравитационного потенциала для массы M определяется формулой:

Сила притяжения, действующая в таком поле на материальную точку с массой m, связана с  потенциалом формулой:

• Если тело не является материальной точкой, то создаваемое им поле притяжения можно рассчитать интегрированием по всему объёму тела. Сферически симметричное тело создаёт такое же притяжение, как материальная точка той же массы, расположенная в центре тела.
• Траектория материальной точки в гравитационном поле, создаваемом много большей по массе материальной точкой, подчиняется законам Кеплера. В частности, планеты и кометы в Солнечной системе движутся по эллипсам или гиперболам. Влияние других планет, искажающее эту картину, можно учесть с помощью теории возмущений.

Исторический  очерк:

Сама идея всеобщей силы тяготения неоднократно высказывалась и до Ньютона. Ранее  о ней размышляли Эпикур, Гассенди, Кеплер, Борелли, Декарт, Роберваль, Гюйгенс  и другие.[1] Кеплер полагал, что тяготение  обратно пропорционально расстоянию до Солнца и распространяется только в плоскости эклиптики; Декарт считал его результатом вихрей в эфире.[2] Были, впрочем, догадки с правильной зависимостью от расстояния; Ньютон упоминает  в «Началах» как своих предшественников Буллиальда, Рена и Гука.[3] Но до Ньютона  никто не сумел ясно и математически  доказательно связать закон тяготения (силу, обратно пропорциональную квадрату расстояния) и законы движения планет (законы Кеплера).

В своём  основном труде «Математические  начала натуральной философии» (1687) Исаак Ньютон вывел закон тяготения, основываясь на эмпирических законах  Кеплера, известных к тому времени. Он показал, что:

• наблюдаемые движения планет свидетельствуют о наличии центральной силы;
• обратно, центральная сила притяжения приводит к эллиптическим (или гиперболическим) орбитам.

Теория Ньютона, в отличие от гипотез предшественников, имела ряд существенных отличий. Ньютон опубликовал не просто предполагаемую формулу закона всемирного тяготения, но фактически предложил целостную  математическую модель:

• закон тяготения;
• закон движения (второй закон Ньютона);
• система методов для математического исследования (математический анализ).

В совокупности эта триада достаточна для полного  исследования самых сложных движений небесных тел, тем самым создавая основы небесной механики. До Эйнштейна  никаких принципиальных поправок к  указанной модели не понадобилось, хотя математический аппарат оказалось  необходимым значительно развить.

Отметим, что  теория тяготения Ньютона уже  не была, строго говоря, гелиоцентрической. Уже в задаче двух тел планета  вращается не вокруг Солнца, а вокруг общего центра тяжести, так как не только Солнце притягивает планету, но и планета притягивает Солнце. Наконец, выяснилась необходимость  учесть влияние планет друг на друга.

Со временем оказалось, что закон всемирного тяготения позволяет с огромной точностью объяснить и предсказать  движения небесных тел, и он стал рассматриваться  как фундаментальный. В то же время  ньютоновская теория содержала ряд  трудностей. Главная из них —  необъяснимое дальнодействие: сила притяжения передавалась непонятно как через  совершенно пустое пространство, причём бесконечно быстро. По существу ньютоновская модель была чисто математической, без какого-либо физического содержания. Кроме того, если Вселенная, как тогда  предполагали, евклидова и бесконечна, и при этом средняя плотность  вещества в ней ненулевая, то возникает гравитационный парадокс. В конце XIX века обнаружилась ещё одна проблема: расхождение теоретического и наблюдаемого смещения перигелия Меркурия.

На протяжении более двухсот лет после Ньютона  физики предлагали различные пути усовершенствования ньютоновской теории тяготения. Эти  усилия увенчались успехом в 1915 году, с созданием общей теории относительности  Эйнштейна, в которой все указанные  трудности были преодолены. Теория Ньютона оказалась приближением более общей теории, применимым при  выполнении 2 условий:

Гравитационный  потенциал в исследуемой системе не слишком велик.

Скорости  движения в этой системе незначительны  по сравнению со скоростью света. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                               ГЛАВА 3. ЗАКОН  КУЛОНА

Закон Кулона количественно описывает взаимодействие заряженных тел. Он является фундаментальным  законом, то есть установлен при помощи эксперимента и не следует ни из какого другого закона природы. Он сформулирован  для неподвижных точечных зарядов  в вакууме. В реальности точечных зарядов не существует, но такими можно  считать заряды, размеры которых  значительно меньше расстояния между  ними. Сила взаимодействия в воздухе  почти не отличается от силы взаимодействия в вакууме (она слабее менее чем  на одну тысячную)

.

Шарль Огюстен  Кулон использовал для определения  силы взаимодействия зарядов крутильные весы, которые состоят из палочки, подвешенной на проволочке. На одном  конце палочки был закреплён  бузиновый шарик, на другом - противовес; ещё один такой же бузиновый шарик  был закреплён на крышке весов. Его  достали, зарядили, привели в соприкосновение  с первым шариком, врезультате чего оба шарика приобрели заряд одного знака и стали отталкиваться, при этом проволока весов закрутилась  на угол α1. После этого шарики сблизили до угла α2= α1/2, при этом верхний конец  нити пришлось повернуть на 7/2α1, то есть общий угол закручивания нити составил 4α1. Так как сила, упругости  при деформации кручения прямо пропорциональна углу закручивания, то она увеличилась в 4 раза, следовательно, увеличилась в 4 раза и сила отталкивания. Углы закручивания были малыми, поэтому расстояние между шариками уменьшилось во столько же раз, во сколько и угол, то есть в 2 раза. Отсюда следует, что сила взаимодействия зарядов обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. После этого одного из шариков касались таким же незаряженным, заряд уменьшался в 2 раза, во столько же раз уменьшалась и сила взаимодействия, следовательно, она прямо пропорциональна произведению зарядов. Обобщив эти выводы, в 1785 году Кулон установил

Закон Кулона: сила взаимодействия двух точечных зарядов в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Эта сила называется кулоновской. Она направлена вдоль  прямой, соединяющей тела, то есть является центральной. Кулоновская сила может  быть как силой притяжения, так  и силой отталкивания; положительной  считают силу отталкивания. Поэтому  закон Кулона можно записать в  векторном виде:

Закон Кулона по форме похож на закон всемирного тяготения. Сила взаимодействия двух тел, обладающих массой, пропорциональна  произведению их масс, а сила взаимодействия тел, обладающих зарядом пропорциональна  произведению их зарядов. Сила обоих  взаимодействий обратно пропорциональна  квадрату расстояния между телами. Но гравитационные силы - всегда силы притяжения, массы всегда положительны, а кулоновские  силы могут быть и силами притяжения и силами отталкивания, так как  существуют заряды двух видов: положительные и отрицательные - причём заряды одинакового знака отталкиваются.

Вычисления  при помощи закона Кулона требуют  определения единицы заряда. Но создать  эталон заряда невозможно, так как  утечка заряда с тела неизбежна. Наиболее разумно было бы принять за единицу  измерения заряд электрона, что  и сделано в атомной физике, но во времена появления электростатики об элементарных частицах ещё не знали.

Можно установить единицу измерения заряда через  закон Кулона, это рационально  сделать так, чтобы коэффициент k был равен единице. Именно так  определяется единица заряда в абсолютной (гауссовой) системе единиц. Точечный заряд, действующий в вакууме  на равный ему заряд, находящийся  на расстоянии 10-2 м с силой 10-5 Н  равен 1 СГСЭq.

В Международной  системе единиц (СИ) единица заряда также является производной. 1 Кулон (Кл) равен заряду, проходящему за 1 секунду через поперечное сечение  проводника при силе тока в нём  в 1 ампер. Связь между единицами  заряда:

1Кл=3*109 СГСЭq.

e=1,6*10-19 Кл = 4,8*10-10 СГСЭq.

В системе  СИ коэффициент k в законе Кулона не равен единице и имеет размерность:

k=9*109 Н*м2/Кл2

Многие уравнения  электродинамики упрощаются при  записи коэффициента k в виде

k=1/4πε0 ,где  ε0=8,85*10-12 Кл2/(Н*м2) - электрическая постоянная.

                              ГЛАВА 4. ЗАКОН  ОМА

Закон Ома  — это физический закон, определяющий связь между напряжением, силой  тока и сопротивлением проводника в  электрической цепи. Назван в честь  его первооткрывателя Георга Ома.

Закон Ома  гласит:

Сила  тока в однородном участке цепи прямо  пропорциональна  напряжению, приложенному к участку, и обратно  пропорциональна  электрическому сопротивлению  этого участка.

И записывается формулой:

Где: I —  сила тока (А),

        U — напряжение (В)

        R — сопротивление (Ом)

Следует иметь  в виду, что закон Ома является фундаментальным (основным) и может  быть применён к любой физической системе, в которой действуют  потоки частиц или полей, преодолевающие сопротивление. Его можно применять  для расчёта гидравлических, пневматических, магнитных, электрических, световых, тепловых потоков и т. д., также, как и  Правила Кирхгофа, однако, такое  приложение этого закона используется крайне редко в рамках узко специализированных расчётов.

Закон Ома в интегральной форме

Закон Ома  для участка электрической цепи имеет вид:

 или  или

— напряжение или разность потенциалов

— сила тока,

— сопротивление.

Закон Ома в дифференциальной форме

Сопротивление зависит как от материала, по которому течёт ток, так и от геометрических размеров проводника.

Полезно переписать закон Ома в так называемой дифференциальной форме, в которой  зависимость от геометрических размеров исчезает, и тогда закон Ома  описывает исключительно электропроводящие  свойства материала. Для изотропных материалов имеем:

      — вектор плотности тока,

      — удельная проводимость,

  — вектор напряжённости электрического поля.

Все величины, входящие в это уравнение, являются функциями координат и, в общем  случае, времени. Если материал анизотропен, то направления векторов плотности  тока и напряжённости могут не совпадать. В этом случае удельная проводимость является тензором ранга  
 

                                     ЗАКЛЮЧЕНИЕ

    Огромное  разнообразие фактов в области атомных  явлений заставляет изобретать и  вводить в обиход новые физические понятия. Вещество состоит из элементарных частиц - элементарных квантов вещества. Свет также состоит из фотонов - квантов  энергии. Поиски ответов на вопросы, чем является свет - волной или ливнем фотонов, чем является пучок электронов - ливнем элементарных частиц или волной, побуждает еще дальше отступить  от механического мировоззрения. Физика и формулирует законы, управляющие  совокупностями, а не индивидуумами. В квантовой физике описываются  не свойства, а вероятности, формулируются  законы, управляющие изменениями  во времени вероятностей, относящиеся  к большим совокупностям индивидуумов, а не законы, раскрывающие будущее  системы, как это присуще классической физике.

    Таким образом, немногим более ста лет  назад наука была описательной: описание движения твердых тел или жидкостей  в механике и гидродинамике, свойств  электрических и магнитных полей  в электродинамике, реакции атомов и молекул в химии. Затем цели физики изменились: от описания она  перешла к объяснению. Прогресс науки, осуществленный Планком. Эйнштейном, Резерфордом, Бором. Зоммерфельдом, Шредингером, Гейзенбергом, Паули, Дираком, привел к открытию кванта действия, атома, обладающего ядром, квантованных орбит, квантовой механики, динамики атома. Следующий этап в  развитии физики открылся работами М.Склодовской-Кюри, позволившими приступить к изучению внутреннего строения атомного ядра. Исследования структуры атома выявили огромное разнообразие элементарных частиц, что заставило физиков искать в этом разнообразии единство и пытаться строить концепцию объединения физики. Классический этап в развитии физики с построением квантовой теории уступил место неклассическому. Сегодня физика начинает переход к постнеклассическому этапу своего развития. Сложившаяся на неклассическом этапе развития физики картина мира является принципиально незавершенной - ощущается все большая потребность в переходе к эволюционной парадигме. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

              Список используемой литературы

1    Открытая физика 2.5 (http://college.ru/physics/)

2. Физика: Механика. 10 кл.: Учеб. для углубленного изучения физики / М.М. Балашов, А.И. Гомонова, А.Б. Долицкий и др.; Под ред. Г.Я. Мякишева. – М.: Дрофа, 2002.
3. Учебник по физике 9 кл.: А.В. Перышкин 2009 г.
4. Википедия — свободная энциклопедия