Концепция пространства и времени И.Ньютона

РОСЖЕЛДОР

Государственное образовательное учреждение высшего  профессионального образования

СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

(СГУПС) 

дисциплина  «Концепция современного естествознания»

кафедра «Химии» 
 
 
 
 

Тема: Концепция пространства и времени И.Ньютона 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Проверил           Выполнил студент группы ФК-112

_____________________________         Свиридов Роман

_____________________________       ____________________________________

(подпись)         (подпись)

_____________________________       ____________________________________

(дата проверки)        (дата сдачи на проверку) 
 
 
 

Краткая рецензия

_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 
 
 
 

                                                      _________________________________________

                                                      (оценка, подпись преподавателя) 
 
 
 

2011

Первый  закон Ньютона

Первый закон  Ньютона постулирует наличие  такого явления, как инерция тел. Поэтому он также известен как Закон инерции. Инерция — это явление сохранения телом скорости движения (и по величине, и по направлению), когда на тело не действуют никакие силы или векторная сумма всех действующих сил (то есть равнодействующая) равна нулю. Чтобы изменить скорость движения, на тело необходимо подействовать с некоторой силой. Естественно, результат действия одинаковых по величине сил на различные тела будет различным. Таким образом, говорят, что тела обладают инертностью. Инертность — это свойство тел сопротивляться изменению их текущего состояния. Величина инертности характеризуется массой тела.

Современная формулировка

В современной  физике первый закон Ньютона принято  формулировать в следующем виде:

Существуют  такие системы отсчета, называемые инерциальными, относительно которых  свободная материальная точка сохраняет  величину и направление своей  скорости неограниченно долго.

Под свободной  материальной точкой в данной формулировке понимается материальная точка, на которую  не оказывается никакого внешнего воздействия, однако закон верен также для  случая взаимно скомпенсированных  внешних сил (это следует из 2-го закона Ньютона, так как скомпенсированные  силы сообщают телу нулевое суммарное  ускорение).

Историческая  формулировка

Ньютон в своей книге «Математические начала натуральной философии » сформулировал первый закон механики в следующем виде:

Всякое тело продолжает удерживаться в состоянии  покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно  не понуждается приложенными силами изменить это состояние.

С современной  точки зрения, такая формулировка неудовлетворительна. Во-первых, термин «тело» надо заменить на «материальная точка», так как тело конечных размеров в отсутствие внешних сил может совершать и вращательное движение. Во-вторых, и это главное, Ньютон в своём труде опирался на существование абсолютной неподвижнойсистемы отсчета, то есть абсолютного пространства и времени, а это представление современная физика отвергает. С другой стороны, в произвольной (скажем, вращающейся) системе отсчёта закон инерции неверен. Поэтому ньютоновская формулировка нуждается в уточнениях. 

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 меру проявления инертности материальной точки в выбранной инерциальной системе отсчёта.

Современная формулировка.

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 едениц 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:

 

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.

Историческая  формулировка

Исходная  формулировка Ньютона:

Изменение количества движения пропорционально  приложенной движущей силе и происходит по направлению той прямой, по которой  эта сила действует. 

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

 

Закон отражает принцип парного взаимодействия. То есть все силы в природе рождаются парами.

Историческая  формулировка

Действию  всегда есть равное и противоположное  противодействие, иначе — взаимодействия двух тел друг на друга равны и  направлены в противоположные стороны. 

Пространство  и время. 

В начале XX века выяснилось, что на время "можно влиять"! Очень быстрое движение, например, замедляет бег времени. Затем выяснилось, что поток времени зависит и от поля тяготения. Обнаружилась также тесная связь времени со свойствами пространства. Так возникла и бурно развивается сейчас наука, которую можно назвать физикой времени и пространства.     

Современный этап развития физики характеризуется  новым мощным прорывом в нашем  понимании строения материи. Если в первые десятилетия XX века было понятно устройство атома и выяснены основные особенности взаимодействия атомных частиц, то теперь физика изучает кварки - субъядерные частицы и проникает глубже в микромир. Все эти исследования теснейшим образом связаны с пониманием природы времени.     

Важное  значение для науки и будущей  технологии имеют такие свойства времени, как его замедление вблизи нейтронных звезд, остановка в черных дырах и "выплескивание" в белых, возможность "превращения" времени  в пространство и наоборот.     

Каждый  знает, что пространство Вселенной  трехмерно. Это значит, что у него есть длина, ширина и высота. То же и у всех тел. Или еще: положение точки может быть задано тремя числами - координатами. Если в пространстве проводить прямые линии или плоскости или чертить сложные кривые, то их свойства будут описываться законами геометрии. Эти законы были известны давным-давно, суммированы еще в III веке до нашей эры Евклидом. Именно евклидова геометрия изучается в школе как стройный ряд аксиом и теорем, описывающих все свойства фигур, линий, поверхностей.     

Если  мы захотим изучать не только местонахождение, но и процессы, происходящие в трехмерном пространстве, то должны включить еще  время. Событие, совершающееся в какой-либо точке, характеризуется положением точки, то есть заданием трех ее координат и еще четвертым числом - моментом времени, когда это событие произошло. Момент времени для события есть его четвертая координата. Вот в этом смысле и говорят, что наш мир четырехмерен.     

Эти факты, конечно, известны давно. Но почему же раньше, до создания теории относительности, такая формулировка о четырехмерии не рассматривалась как серьезная и несущая новые знания? Все дело в том, что уж очень разными выглядели свойства пространства и времени. Когда мы говорим только о пространстве, то представляем себе застывшую картину, на которой тела или геометрические фигуры как бы зафиксированы в определенный момент. Время же неудержимо бежит (и всегда от прошлого к будущему), и тела для этого представления могут "менять места".     

В отличие от пространства, в котором  три измерения, время одномерно. И хотя еще древние сравнивали время с прямой линией, это казалось всего лишь наглядным образом, не имеющим глубокого смысла. Картина резко изменилась после открытия теории относительности.     

В 1908 году немецкий математик Г.Минковский, развивая идеи этой теории, заявил: "Отныне пространство само по себе и время само по себе должны обратиться в фикции и лишь некоторый вид соединения обоих должен еще сохранить самостоятельность". Что имел в виду Г.Минковский, высказываясь столь решительно и категорично?     

Он  хотел подчеркнуть два обстоятельства. Первое - это относительность промежутков времени и пространственных длин, их зависимость от выбора системы отсчета. Второе, оно и является главным в его высказывании, это то, что пространство и время тесно связаны между собой. Они, по существу, проявляются как разные стороны некоторой единой сущности - четырехмерного пространства-времени. Вот этого тесного единения, неразрывности и не знала доэйнштейновская физика. В чем оно проявляется?     

Прежде  всего, пространственные расстояния можно  определять, измеряя время, необходимое  свету или вообще любым электромагнитным волнам для прохождения измеряемого  расстояния. Это известный метод радиолокации. Очень важно при этом, что скорость любых электромагнитных волн совсем не зависит ни от движения их источника, ни от движения тела, отражавшего эти волны, и всегда равна c (c - скорость света в вакууме, приблизительно равная 300000 км/сек). Поэтому расстояние получается просто умножением постоянной скорости-c на время прохождения электромагнитного сигнала. До теории Эйнштейна не знали, что скорость света постоянна, и думали, что так просто поступать при измерении расстояний нельзя.     

Конечно, можно поступить и наоборот, то есть измерять время световым сигналом, пробегающим известное расстояние. Если, например, заставить световой сигнал бегать, отражаясь между двумя зеркалами, разнесенными на три метра друг от друга, то каждый пробег будет длиться одну стомиллионную долю секунды. Сколько раз пробежал этот своеобразный световой маятник меду зеркалами, столько стомиллионных долей секунды прошло.     

Важное  проявление единства пространства и  времени состоит в том, что  с ростом скорости тела течение времени  на нем замедляется в точном соответствии с уменьшением его продольных (по направлению движения) размеров. Благодаря такому точному соответствию из двух величии - расстояния в пространстве между какими-либо двумя событиями и промежутка времени, их разделяющего, простым расчетом можно получить величину, которая постоянна для всех наблюдателей, как бы они не двигались, и никак не зависит от скорости любых "лабораторий". Эта величина играет роль расстояния в четырехмерном пространстве-времени. Пространство-время и есть то "объединение" пространства и времени, о котором говорил Г.Минковский.