Методические указания к выполнению компьютерной программы «Физика» по дисциплине «Концепции современного естествознания» санкт-петербург (стр. 2 из 5)

Формулы свободного падения тел записываются аналогично формулам равноускоренного движения. Если начальная скорость равна нулю, эти формулы будут иметь вид:

где h – высота падения, g – ускорение свободного падения.

Динамика

Динамика рассматривает движение тел в пространстве с изучением причин данного движения. Причиной изменения состояния движения (скорости) тел является сила.

В природе нет сил как таковых. В природе существуют только тела и поля (гравитационное – поле тяготения, электрическое и магнитное), которые и взаимодействуют между собой. Под силой в механике понимают величину взаимодействия между телами и полями, в результате, которого происходит изменение состояния движения этих тех или их деформация. Если говорят, что на тело действует сила, то это значит, где-то рядом существует другое тело или поле, которое и оказывает действие на данное тело.

Сила – векторная величина, характеризующаяся численным значением, направлением и точкой приложения. Действие силы на тело не изменяется, если точку приложения ее переносить вдоль прямой, в направлении которой действует сила. В основу динамики легли три закона Ньютона.

Первый закон Ньютона. Всякое тело сохраняет состояние покоя или прямолинейного равномерного движения, пока действие других тел не выведет его из этого состояния. Свойство тел сохранять состояние покоя или равномерного прямолинейного движения называется инерцией, поэтому первый закон Ньютона называется законом инерции.

Так как в природе тело не может быть изолировано от действия других тел и полей, то относительный покой, равномерное и прямолинейное движение наблюдаются только в тех случаях, когда результирующая действия всех сил на данное тело равно нулю.

Первый закон Ньютона выполняется в системах отсчета, находящихся в покое или прямолинейном и равномерном движении относительно Земли. Такие системы отсчета называются инерциальными. В системах отсчета, движущихся относительно Земли с ускорением, закон инерции не выполняется. Такие системы отсчета называются неинерциальными.

Второй закон Ньютона Ускорение, сообщаемое телу данной силой, прямо пропорционально величине этой силы и обратно пропорционально массе тела.

а= F/m или F = mа,

где а – ускорение; F – действующая сила или равнодействующая нескольких сил; m – масса тела.

Ускорение –векторная величина, совпадающая с направлением действующей силы. За единицу измерения силы в системе СИ принята такая сила, которая телу массой в 1 кг сообщает ускорение 1 м/с². Такая единица называется Ньютоном (Н):

1Н = 1кг · 1 м/с²

Свойство тела, от которого зависит его ускорение при взаимодействии с другими телами, называется инертностью.

Так как ускорение

,

то формула второго закона Ньютона может выглядеть так:

или Ft = m v₂ - m v₁

Произведение силы F на время ее действия t называется импульсом силы, произведение массы движущегося тела на скорость – количеством движения (К = m v). Величина m v₂ - m v₁представляет собой изменение количества движения. Таким образом, второй закон Ньютона можно сформулировать так: изменение количества движения тела пропорционально импульсу силы, действующей на него.

Сила – это векторная величина, которая характеризуется модулем, направлением и точкой приложения.

Третий закон Ньютона Действия тел друг на друга всегда равны по величине и противоположны по направлению:

F₁ = - F₂

Знак минус ставится потому, что силы F₁ и F₂ имеют противоположные направления. Эти силы приложены к разным телам и поэтому не уравновешиваются.

Все силы притягиваются Землей. Сила, с которой тела притягиваются к Земле, называется силой тяжести. Под действием силы тяжести все тела падают на Землю и давят на ее поверхность. Ускорение падения тел на Землю, без учета сопротивления воздуха, называется ускорением свободного падения. На основании второго закона Ньютона можно записать:

Р = mg,

где Р – сила тяжести; m – масса тела; g – ускорение свободного падения.

В практике широко используется понятие веса тела. Весом тела называется сила, с которой притягиваемое Землей тело давит на горизонтальную опору или растягивает вертикальный подвес. Вес тела и сила тяжести – это разные понятия. Вес тела – это сила, приложенная к горизонтальной подставке или вертикальному подвесу, а сила тяжести приложена к самому телу. Вес тела и сила тяжести только в инерциальных системах численно равны. Если тело находится в лифте, поднимающемся вверх с ускорением а, то сила давления этого тела на пол будет равна:

Р^' = m (g + а),

т.е. вес тела будет больше силы тяжести.

На тело, находящееся в лифте, действуют две силы: сила тяжести Р = mg (центростремительную силу в расчет не принимаем), направленная вниз, и сила реакции F пола лифта, направленная вверх. При движении лифта вверх с ускорением а

F – P = ma или F = P + ma = m(g+a).

По третьему закону Ньютона сила давления тела на пол численно равна силе реакции пола:

,т.е. вес тела равен Р^' = m (g + а).

Это и объясняет перегрузку, испытываемую космонавтами при подъеме спутника.

При движении лифта (системы отсчета) вниз с ускорением а

P – F = ma или F = P – ma = m(g - a).

По третьему закону Ньютона

, т.е. вес тела Р^' = m(g - a). При условии, что а = g Р=0, т.е. тело испытывает невесомость. Тело массой 1 кг на поверхности Земли весит 1 кГ, а массой 1 г весит 1Г. А так как ускорение свободного падения 9,81 м/с², то 1 килограмм – сила, равная 9,81 Н, т.е.

1кГ = 9,81 Н

Закон сохранения количества движения. Пусть при взаимодействии двух тел первое тело с массой m₁ под действием второго тела (силы F₁) получило ускорение а₁, а второе тело с массой m₂ под действием первого тела (силы F₂) получило ускорение а₂, т.е. F₁ = m₁ a₁ и F₂ = m₂ a₂. Сделав преобразования, на основании третьего закона Ньютона можно записать: m₁v₁ + m₂v₂ = m₁u₁ + m₂u₂. Следовательно, сумма количеств движения взаимодействующих тел до взаимодействия равна сумме количеств движения тел после взаимодействия. Этот закон носит название Закон сохранения количества движения.

Закон всемирного тяготения. Два тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними:

γ ,

где r – расстояние между точками.

Коэффициент пропорциональности γ называется гравитационной постоянной, численно равной силе, с которой притягиваются две материальные точки массой 1 кг каждая, и находящиеся друг от друга на расстоянии 1 м.

γ = 6,67 · 10^-11 м³/кг·с².

Для тел, поднятых над Землей, при условии, что Земля – однородный шар, h<<R (h – высота подъема; R – радиус Земли) формула всемирного тяготения запишется так:

γ ,

где m – масса тела; М – масса Земли, сосредоточенная в центре шара. Хотя силы тяжести и силы тяготения имеют одну природу, между ними имеется существенное различие. Силы тяготения – это центральные силы, действующие между центрами масс и направленные по радиусу Земли. Силы тяготения не зависят от вращения Земли. Сила тяжести зависит от вращения Земли и на различных широтах имеет различные значения. На полюсе силы тяжести совпадают по величине и направлению с силой тяготения. На экваторе сила тяжести совпадает с силой тяготения по направлению, но отличается по величине на центростремительную силу, т.е.

.

Ускорение свободного падения для всех тел одинаково и зависит от расстояния до центра Земли и географической широты местности.

Основы молекулярно-кинетической теории строения вещества

Основные положения молекулярно-кинетической теории строения вещества сводятся к следующему:

1. Все тела – твердые, жидкие и газообразные – состоят из молекул. Молекула – это мельчайшая частица вещества, сохраняющая все его свойства.

2. Молекулы находятся в состоянии непрерывного беспорядочного (хаотического) движения. Характер движения зависит от агрегатного состояния вещества.

3. Между молекулами действуют силы взаимодействия – силы притяжения и силы отталкивания.

Молекулы и их движения непосредственно ненаблюдаемы вследствие малости размеров молекул (порядка 10^-10 м). Поэтому подтвердить основные положения молекулярно- кинетической теории можно лишь косвенными доказательствами (броуновское движение, диффузия и другие опыты).