КЛАССИЧЕСКАЯ ДИНАМИКА. ЗАКОНЫ НЬЮТОНА Сегодня: пятница, 11 марта 2016 г.

Лекция 3 Тема: Тема: КЛАССИЧЕСКАЯ ДИНАМИКА. ЗАКОНЫ НЬЮТОНА Введение Содержание лекции: Сегодня: пятница, 11 марта 2016 г. 1. Инерциальные системы отсчета. Первый закон Ньютона 2. Второй закон Ньютона. Основные понятия 3. Третий закон Ньютона 4. Свойства пространства-времени и уравнения классической динамики.

Глава 2. КЛАССИЧЕСКАЯ ДИНАМИКА. ЗАКОНЫ НЬЮТОНА 2.1. Введение Динамика – раздел механики, посвященный изучению движения материальных тел под действием приложенных к ним сил. В основе классической динамики лежат законы Ньютона. Как и другие принципы, лежащие в основе физики, они являются обобщением опытных фактов.

Законы классической динамики имеют огромную область применения от описания движения микроскопических частиц в модели идеального газа до поведения гигантских тел во Вселенной. Открытие, применение и осознание этих законов определяют технических прогресс человечества на протяжении уже более трех веков.

Основная задача динамики заключается в ответе на вопрос: как изменит своё состояние система при внешних воздействиях. Для этого необходимо: 1. Установить параметры, описывающие состояние физической системы. 2. Составить уравнения, описывающие изменения состояния системы во времени.

Опыт показывает, что в классической физике состояние частицы полностью определяется: координатами (x, y, z) и компонентами её скорости (v x, v y, v z ) в заданный момент времени. Т. е. радиус-вектором частицы, её скоростью.

Если произведение величин m·υ·R >> h – то имеем дело с классическими законами. Здесь m - масса частицы, υ – ее скорость, R – размер области, в которой происходит движение, h – постоянная Планка (h = 6.625· Дж·с). Если mυR h, то движение подчиняется квантовым законам. Например, в случае движения электрона в атоме водорода m кг, υ = 10 6 м/с, R м (размер атома водорода).

2.2. Инерциальные системы отсчета. Первый закон Ньютона Для описания механических явлений надо выбрать систему отсчета. В различных системах отсчета законы движения имеют, в общем случае, различный вид.

М ожно найти систему отсчета, в которой законы механики имеют наиболее простой вид. Такая система отсчета с однородным и изотропным пространством и однородным временем называется: инерциальной системой отчёта..

В инерциальной системе отсчета свободное движение происходит с постоянной по величине и направлению скоростью. Это положение составляет содержание первого закона Ньютона закона инерции. Если наряду с инерциальной системой отсчета, ввести другую систему отсчета, движущуюся относительно первой прямолинейно и равномерно, то свободное движение снова будет происходить с постоянной скоростью.

Существует бесконечное множество инерциальных систем отсчета, движущихся относительно друг друга равномерно и прямолинейно. Во всех инерциальных системах свойства пространства и времени одинаковы и одинаковы все законы механики - принцип относительности Галилея..

r 2 = r 1 + v t Координаты одной и той же точки в разных системах отсчета K 1 и K 2, из которых K 1 движется относительно K 2 со скоростью v, связаны друг с другом соотношением: y2y2 y1y1 К1К1 К2К2 x2x2 x1x1 r1r1 r2r2 t

Подразумевается, что время течет одинаково в K 1 и K 2 : t 1 = t 2 = t. Представление об абсолютном времени лежит в основе классический механики. Принцип относительности Галилея можно сформулировать как требование инвариантности уравнений механики по отношению к преобразованиям Галилея: t 1 = t 2 = t, r 2 = r 1 + v t.

Из абсолютности времени и принципа относительности Галилея следует, что: в классической механике взаимодействие между телами распространяется мгновенно. Если бы взаимодействие было бы не "мгновенным", то это привело бы к различию законов движения тел в разных инерциальных системах отсчета.

Из первого закона следует важный физический принцип: существование инерциальной системы отсчета. Смысл первого закона состоит в том, что: если на тело не действуют внешние силы, то существует система отсчета, в которой оно покоится. Но если в одной системе тело покоится, то существует множество других систем отсчета, в которых тело движется с постоянной скоростью.

Следствием первого закона Ньютона является утверждение: если наблюдатель находится в инерциальной системе отсчета, то все тела, на которые не действуют силы, будут находиться или в покое, или двигаться с постоянной скоростью.

1. Все тела обладают свойствами инерции. Таким образом, сущность первого закона Ньютона может быть сведена к трём основным положениям: Содержание

2. Существуют инерциальные системы отсчёта, в которых выполняется первый закон Ньютона. Содержание

3. Движение относительно. Если тело A движется относительно тела B со скоростью, то и тело отсчёта B, в свою очередь, движется относительно тела A с той же скоростью, но в обратном направлении. Содержание

2.3. ВТОРОЙ ЗАКОН НЬЮТОНА. СИЛА. МАССА. ИМПУЛЬС. Сила Мерой взаимодействия тел или частиц, из которых состоят тела, является сила. В современной физике различают следующие типы взаимодействия: а) гравитационное, возникающее между телами за счёт всемирного тяготения; б) электромагнитное, возникающее между неподвижными или движущимися заряженными частицами или телами;

в) сильное, или ядерное, характеризующее взаимодействие элементарных частиц, например тех, которые входят в состав атомного ядра; г) слабое взаимодействие, имеющее своим результатом распад некоторых элементарных частиц. В каждый момент времени сила F характеризуется числовым значением, направлением и точкой приложения

Сила – Сила – это векторная величина, являющаяся мерой механического воздействия на тело со стороны других тел или полей, в результате которого тело приобретает ускорение или изменяет свою форму и размеры.

Масса Масса тела – физическая величина, являющаяся одной из основных характеристик материи, определяющая её инерционные (инертная масса) и гравитационные (гравитационная масса) свойства. В настоящее время можно считать доказанным, что инертная масса равна гравитационной (с точностью не меньшей их значения). Масса является мерой инертности тела.

В классической механике массе приписывают следующие свойства: а) масса – инвариантна (не зависит от движения);

В классической механике массе приписывают следующие свойства: б) масса аддитивна (масса системы тел равна сумме масс каждого из них);

в) выполняется, сформулированный М. В. Ломоносовым, закон сохранения массы - в замкнутой системе её масса остаётся неизменной при любых протекающих в ней процессах.

Нередко путают понятия массы и веса, между которыми имеется существенное различие. Масса – это свойство самого тела (она является мерой инертности тела или его «количества движения»). Вес – это сила, с которой тело действует на опору или растягивает подвес (вес численно равен силе тяжести, если опора или подвес не имеют ускорения).

Импульс или количество движения материальной точки является вектор, равный произведению массы точки на ее скорость: p = m v. Импульс или количество движения системы материальных точек есть векторная сумма импульсов отдельных материальных точек, из которых эта система состоит. Для системы из двух материальных точек p = p 1 + p 2 = m 1 v 1 + m 2 v 2.

В инерциальной системе отсчета изменение импульса p материальной точки со временем представляется уравнением dp/dt = d(m v )//dt = F. Величина F называется силой, действующей на рассматриваемую материальную точку. Сила F есть векторная величина.

Итак: в инерциальной системе отсчета производная импульса материальной точки по времени равна действующей на нее силе: Fрез = dp/dt = d(mv)/dt = ma Это утверждение называется: вторым законом Ньютона, уравнение – уравнениями движения материальной точки.

Во второй закон Ньютона входит результирующая сила. Поэтому прежде чем применять второй закон Ньютона, нужно сначала найти векторную сумму всех сил, действующих на данное тело. Это положение очень существенно, и оно имеет дополнительное физическое содержание, которое можно проверить экспериментально.

Соотношение ma = Fрез предполагает аддитивность масс и векторный закон сложения сил. Аддитивность масс означает, что если соединить вместе два тела с массами m A и m B, то масса такого тела будет равна: m = mA + mB. Определив Fрез и зная массу, 2- закон позволяет вычислить ускорение, скорость и траекторию движение тела.

2.4. Третий закон Ньютона Третий закон Ньютона : Действию всегда есть равное и противоположное противодействие; Если тело В действует на тело А с силой F АВ, то в свою очередь тело А обязательно будет действовать на тело В с силой F ВА, равной по величине и противоположной по знаку силе F АВ ; обе силы направлены вдоль одной прямой. Третий закон отражает тот факт, что сила есть результат взаимодействия двух различных тел.

Третий закон ничего не говорит о величине сил, а только о том, что они равны. Важно отметить, что речь идёт о силах, приложенных к различным телам. Поезд из трех вагонов, который тянут с внешней силой F. Взаимодействие между вагонами передается с помощью нитей, не имеющих массы.

На тело m 1 со стороны m 2 действует сила F 1 (2), а на тело m 2 со стороны m 1 сила F 2 (1). По третьему закону Ньютона сумма F 2 (1) + F 1 (2) равна нулю. [F 1 (2) + F 2 (1)] + [F 2 (3) + F 3 (2)] + F = (m 1 + m 2 + m 3 )a, Чтобы найти ускорение поезда, необходимо определить результирующую силу: F = (m 1 + m 2 + m 3 )a, Суммы в квадратных скобках обращаются в нуль.

На рис. изображен брусок массой m, прижатый к стенке с силой F. Однако совершенно очевидно, что брусок не испытывает ускорения под действием силы F, потому что атомы стенки отталкивают брусок с силой F 1, равной – F Результирующая сила F рез = F + F 1 = F + (– F) = 0. Если в этом случае автоматически применить уравнение F = ma, то мы получим ускорение a = F/m, которое отлично от нуля. m F FgFg F1F1 F2F2

Кроме того, на брусок действует F g – сила тяжести, естественно возникает сила реакции F 2, направленная вверх и равная –F g. Результирующая сила является суммой всех четырех сил (рис.3.7): F рез = F + F 1 + F g + F 2 = F + ( F 1 ) + F g + ( F 2 ) = 0. m F FgFg F1F1 F2F2

2.5. Наклонная плоскость Вычислим ускорение тела массой m, скользящего под действием силы тяжести по наклонной поверхности, которая образует угол с горизонтальной плоскостью. На рис. а показаны три действующие на тело силы: mg, направленная вниз, сила реакции F N, сила трения F f, направленная против движения. Векторное сложение этих сил на рис. б дает F рез.

aб mg m FNFN FfFf FNFN FfFf F рез a F рез =mg+F N +F f

Силы образуют прямоугольный треугольник, причем угол между F N и mg равен. Отсюда: Заменяя Fрез на ma, получаем ma = mgsin Ff. В отсутствие трения a = gsin (без трения). F рез + F f = mgsin. g - ускорение силы тяжести

В случае когда имеется трение, в формуле следует заменить F f на d F N, что дает ma = mgsin d F N. Из треугольника сил на рис.б находим F N = mgcos. Подставляя это в последнее соотношение имеем: a = gsin d gcos. От сюда следует, что наклонную плоскость можно использовать для уменьшения ускорения тела, возникшего благодаря силе тяжести. d – коэффициент трения

Пусть брусок скользит по наклонной плоскости, не ускоряясь. Тогда a = gsin d gcos = 0, и gsin = d gcos, откуда tg = d. При этом значении угла наклона тело будет двигаться без ускорения.

Лекция окончена Нажмите клавишу для выхода