Концепции современного естествознания

     1)принцип  относительности: все законы природы  инвариантны по  отношению к переходу от одной инерциальной системы к другой;

     2) принцип инвариантности скорости света: скорость света в вакууме не зависит от скорости движения источника или наблюдателя, и одинакова во всех инерциальных системах отсчета (с = 3 × 10⁸м/с).

     В соответствии с первым постулатом все  инерциальные системы отсчета совершенно  равноправны, т.е. явления  механические, электродинамические, оптические  и  другие во всех инерциальных  системах отсчета протекают одинаково.

     Согласно  второму постулату постоянство скорости света в вакууме – фундаментальное свойство природы. Она не зависит от скорости движения источника и приемника света.

     Частная теория относительности потребовала  отказа от привычных классических представлений  о пространстве и времени, поскольку они противоречили принципу постоянства скорости света. Потеряло смысл не только абсолютное пространство, но и абсолютное время.

     Из  частной теории относительности  следуют новые пространственно-временные  представления, такие, например, как  относительность длин и промежутков времени.

     Симметрия – это инвариантность в неизменности свойств системы при изменении (преобразовании) её параметров. Так кристалл может быть совместим с самим собой путем поворотов, отражений, параллельных переносов и других преобразований системы.

     Крупнейшие  открытия в физике ХХ века связаны  с изучением различных симметрий. Можно расширить понятие симметрии  и назвать группой симметрии такие преобразования пространства и времени, при которых формы записи уравнений или комбинации физических величин остаются неизмененными. В этом смысле говорят о симметрии физических законов, исследовании свойств симметрии физических явлений для познания фундаментальных закономерностей Природы. Вся гармония Природы должна, в конечном счете, быть выражена и обобщена принципиальным математическим единством её законов.

     4. Механическое движение. Классическая концепция  Ньютона 

     Механика - раздел физики, в котором изучаются механические  движения и взаимодействия материальных тел. В настоящее время различают четыре разновидности механики: классическую, релятивистскую,  квантовую и релятивистскую квантовую механику.

     Под механическим движением понимают изменение, с течением времени положения  тел или их частей в пространстве. То есть,  можно сказать, что движение происходит в пространстве и во времени.

     В зависимости от вида реальных тел имеем механику материальной точки, твердого тела и сплошной среды. Материальная точка - тело, размерами которого можно пренебречь по сравнению с расстоянием до других тел (в условиях данной задачи). Под твёрдым телом понимается абсолютно твёрдое тело, деформациями которого пренебрегают в условиях данной задачи. Любое твёрдое тело можно представить как систему материальных точек. К сплошной среде относятся, например: жидкости, газы.

     Механика  подразделяется на кинематику, которая изучает движение  тел без выяснения причин, их вызывающих; динамику, которая изучает законы движения взаимодействующих тел; статику,  изучающую условия равновесия тел и являющуюся частным случаем динамики.

     4.1. Физические величины  и их единицы  измерения

     Физическая  величина – измеряемая характеристика одного из свойств физического объекта, его состояния, процесса (например: длина , масса m, время t и т.п.). Единица измерения физической величины – конкретная физическая величина, которой по определению присвоено числовое значение,  равное единице, и применяемая для количественного выражения физических величин. Как и физические величины, их единицы измерения имеют наименования и обозначения (так, наименованием единицы измерения длины является метр, обозначение – м).

     В 1960г. Введена международная (интернациональная) система единиц измерения физических величин (СИ)

     Bсe физические величины и их единицы измерения разделяют на основные, дополнительные  и производные. Основная физическая величина – величина, условно принятая в качестве независящих от других величин. Производная физическая величина – величина, определяемая через основные физические величины посредством математических формул (к примеру, скорость , ускорение ). 

     В СИ приняты семь основных и две  дополнительные единицы измерения.

     Основные  единицы измерения

     1.  Длина –  метр (м),

     2.  Масса –  килограмм (кг),

     3.  Время –  секунда (с),

     4.  Сила электрического тока –  ампер (А),

     5.  Термодинамическая температура – кельвин (К). T=273,15+t°C.

     6.  Количество вещества – моль (моль);

     7.  Сила света – кандела («свеча»,  по-латински) (кд).

     Дополнительные  единицы измерения

     1.  Плоский угол – радиан (рад);

     2. Телесный угол – стерадиан  (ср);

     Производные единицы, например, Н, Дж, Вт, В, Ом, Ф, Тл и др.

     Более широкими понятиями (категориями) нежели физическая величина являются явление  и свойство тела. Их сущность раскрывается в следующих примерах. Инерция  – явление сохранения состояния  покоя или равномерного прямолинейного движения.

     Инертность – свойство тела сохранять состояние покоя или равномерного прямолинейного движения. В общем смысле – сохранять какое-то состояние.

     Масса – скалярная физическая величина, характеризующая инертность тела. В более широком смысле масса – одна из основных характеристик материи, определяющая её инерционные (инертная масса ) и гравитационные (гравитационная масса ) свойства.

     Силы  инерции в ускоренной системе  отсчета эквивалентны гравитационным силам. Этот факт называют, принципом эквивалентности Эйнштейна. При соответствующем выборе единиц измерения m_u и m_гр принимают m_u = m_гр.

     Кинематика  поступательного движения оперирует  следующими физическими величинами: время t, путь , перемещение , скорость и ускорение .

     Линия, описываемая в пространстве движущимся телом, называется траекторией. Расстояние между двумя точками, измеренное вдоль траектории, есть длина пути, или просто путь. Вектор , соединяющий две точки траектории (например, начальную и конечную), называют перемещением. 

     Кинематика  основывается на двух формулах, которые  описывают равномерное, равнопеременное  и неравномерное движение тел (материальных точек):   ,                         ,

     где – скорость – векторная физическая величина, характеризующая быстроту перемещения тела ( ); – ускорение – векторная физическая величина, характеризующая быстроту изменения вектора скорости.

     Интегрируя  последние формулы можно получить уравнения для любых видов  движения в явном виде. Например, для равнопеременного движения ( =const):                                 

     

.

     Система отсчета в механике – это совокупность системы координат и часов, связанных с некоторым телом, по отношению к которому определяется положение других тел в различные моменты времени.

     Системы отсчета подразделяются на инерциальные, т.е. покоящиеся или движущиеся равномерно и прямолинейно, и неинерциальные, перемещающиеся с ускорением. 

     4.2. Классическая концепция  Ньютона

     Классическая  механика сыграла и играет до сих пор огромную роль в развитии естествознания.

     Она объясняет множество физических явлений и процессов в земных и внеземных условиях, составляет основу для многих технических достижений в течение длительного времени. На ее фундаменте формировались многие методы научных исследований в различных отраслях естествознания.

     В основе классической механики лежит  концепция Ньютона. Её сущность наиболее кратко и отчётливо выразил А. Эйнштейн:

     «Согласно ньютоновской системе физическая реальность характеризуется понятиями пространства, времени, материальной точки и силы (взаимодействия материальных точек). В ньютоновской концепции под физическими событиями  следует понимать движение материальных точек в пространстве, управляемое неизменными законами».

     В 1667 г. Ньютон сформулировал три закона динамики, составляющие основной раздел классической механики. Законы Ньютона играют исключительную роль в механике и являются (как большинство физических   законов) обобщением результатов огромного человеческого опыта, о чем сам Ньютон образно сказал:  «Если я видел дальше других, то потому, что стоял на плечах гигантов». 3аконы Ньютона рассматривают обычно как систему взаимосвязи  законов.

     Первый  закон Ньютона:  всякая материальная точки (тело) сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока воздействие со стороны других тел не заставит ее изменить это состояние.

     Стремление  тела  сохранить  состояние покоя  или   равномерного прямолинейного движения называется (как отмечалось) инерцией (см.п.п.4.1.). Поэтому первый закон Ньютона называют также законом инерции.

     Второй  закон Ньютона утверждает,  что скорость изменения импульса пропорциональна приложенной к телу  силе и имеет тоже направление:

     

,

     При неизменной массе тела (m=const): , где                                – результирующая сила.

     Импульс  – векторная физическая величина, характеризующая меру поступательного движения и равная произведению массы тела на его линейную скорость: , .

     Сила  – векторная физическая величина,  характеризующая меру  взаимодействия тел. = =

Третий  закон Ньютона: силы, с которыми два тела действуют друг на друга, равны по модулю и противоположны по направлению: . (Следует иметь в виду, что эти силы приложены к разным телам).

     Силы. Закон всемирного тяготения

     Все силы, встречающиеся в природе, сводятся к силам гравитационного притяжения, электромагнитным силам, слабым и сильным  взаимодействиям.

     В классической механике различают гравитационные силы: силы тяжести  и тяготения, упругие силы, силы трения, вес тела, которые являются по своей природе электромагнитными.

     В соответствии с установленным Ньютоном законом всемирного тяготения сила тяготения гравитационного взаимодействия двух материальных точек. , где r - расстояние между материальными точками, m₁ и  m₂ - их массы, G – коэффициент пропорциональности,  называемый  гравитационной постоянной, G – 6,67-10^-11  .  

     Закон сохранения импульса

     Совокупность  взаимодействующих тел называют механической системой. Силы, действующие между телами системы, называют внутренними, а со стороны тел, не принадлежащих этой системе, - внешними. Если действием внешних сил можно пренебречь, то систему называют замкнутой или изолированной.

     Полный  импульс всех тел замкнутой системы  не изменяется со временем (это и  есть закон сохранения импульса):