Какое свойство материи характеризует масса тела
Отношение величины силы, действующей на тело, к приобретенному телом ускорению постоянно для данного тела. Масса тела и есть это отношение.
| 1. | Масса=Сила/ускорение m=F/a |
Масса тела является неизменной характеристикой данного тела, не зависящей от его местоположения. Масса характеризует два свойства тела:
Инерция
Тело изменяет состояние своего движения только под воздействием внешней силы.
Тяготение
Между телами действуют силы гравитационного притяжения.
Эти свойства присущи не только телам, т.е. веществу, но и другим формам существования материи (например излучению, полям). Справедливо следующее утверждение:
Масса тела характеризует свойство любого вида материи быть инертной и тяжелой, т.е. принимать участие в гравитационных взаимодействиях.
Центр масс и система центра масс
В любой системе частиц имеется одна замечательная точка С- центр инерции, или центр масс, – которая обладает рядом интересных и важных свойств. Центр масс является точкой приложения вектора импульса системы , так как вектор любого импульса является полярным вектором. Положение точки С относительно начала О данной системы отсчета характеризуется радиусом-вектором, определяемым следующей формулой:
| (4.8) |
где – масса и радиус-вектор каждой частицы системы, M – масса всей
системы (рис. 4.3).
Импульс материальной точки, системы материальных точек и твердого тела.
Импульсом материальной точки называют величину равную произведению массы точки на ее скорость.
Обозначим импульс (его также называют иногда количеством движения) буквой . Тогда
. (2)
Из формулы (2) видно, что импульс — векторная величина. Так как m > 0, то импульс имеет то же направление, что и скорость.
Единица импульса не имеет особого названия. Ее наименование получается из определения этой величины:
[p] = [m] · [υ] = 1 кг · 1 м/с = 1 кг·м/с .
Момент импульса материальной точки относительно точки O определяется векторным произведением
, где — радиус-вектор, проведенный из точки O, — импульс материальной точки.
Момент импульса материальной точки относительно неподвижной оси равен проекции на эту ось вектора момента импульса, определенного относительно произвольной точки O данной оси. Значение момента импульса не зависит от положения точки O на оси z.
Момент импульса твердого тела относительно оси есть сумма моментов импульса отдельных частиц, из которых состоит тело относительно оси. Учитывая, что , получим
.
Если сумма моментов сил, действующих на тело, вращающееся вокруг неподвижной оси, равна нулю, то момент импульса сохраняется (закон сохранения момента импульса):
.
Производная момента импульса твердого тела по времени равна сумме моментов всех сил, действующих на тело:
.
Фундаментальные и нефундаментальные взаимодействия. Сила как мера взаимодействия тел. Свойства силы.
Фундамента́льные взаимоде́йствия — качественно различающиеся типы взаимодействия элементарных частиц и составленных из них тел.
На сегодня достоверно известно существование четырех фундаментальных взаимодействий:
– гравитационного
– электромагнитного
– сильного
– слабого
При этом электромагнитное и слабое взаимодействия являются проявлениями единого электрослабого взаимодействия.
Сила как мера взаимодействия тел
Сила – векторная величина, характеризующая механическое действие одного тела на другое, которое проявляется в деформациях рассматриваемого тела и изменении его движения относительно других тел.
Сила характеризуется модулем и направлением. Модуль и направление силы не зависят от выбора системы отсчета.
Понятие силы относится к двум телам. Всегда можно указать тело, на которое действует сила, и тело со стороны которого она действует.
Способы измерения силы:
-определение ускорения эталонного тела под действием данной силы;
– определение деформации эталонного тела.
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. 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.
Существуют такие системы отсчёта, называемые инерциальными, относительно которых материальная точка при отсутствии внешних воздействий сохраняет величину и направление своей скорости неограниченно долго.
Системы отсчета, в которых выполняется первый закон Ньютона, называют инерциальными.
Или
Инерциальные системы отсчета – это системы, относительно которых материальная точка при отсутствии на нее внешних воздействий или их взаимной компенсации покоится или движется равномерно и прямолинейно.
18. 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 (ИСО).
Современная формулировка
При подходящем выборе единиц измерения, этот закон можно записать в виде формулы:
где — ускорение материальной точки;
— сила, приложенная к материальной точке;
— 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 равнодействующей всех приложенных к ней сил.
где — импульс точки,
где — скорость точки;
— 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.
19. 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
Материальные точки попарно действуют друг на друга с силами, имеющими одинаковую природу, направленными вдоль прямой, соединяющей эти точки, равными по модулю и противоположными по направлению:
Закон отражает принцип парного взаимодействия. То есть все силы в природе рождаются парами.
Источник
Физическая наука, включающая в себя химию и физику, обычно изучает природу и свойства материи и энергии в неживых системах. Материя – это вещество вселенной. Это атомы, молекулы и ионы, которые составляют все физические вещества. Материя – это все, что имеет массу и занимает пространство.
Энергия – это то, что способно вызвать изменения. Энергию нельзя создать и ее нельзя уничтожить. Она может быть только сохранена и преобразована из одной формы в другую. Потенциальная энергия – это энергия, хранящаяся в объекте из-за его положения. Кинетическая энергия – это энергия, которая находится в движении и вызывает изменения. Любой объект или частица, которая находится в движении, имеет кинетическую энергию, основанную на ее массе и скорости. Кинетическая энергия может быть преобразована в другие виды энергии, такие как электрическая или тепловая.
Существует пять состояний вещества – твердая материя, жидкость, газ, плазма и конденсат Бозе-Эйнштейна. Основное отличие каждого состояния заключается в плотности частиц.
Агрегатные состояния вещества
Твердое вещество
В твердом теле частицы упакованы плотно, поэтому они не способны сильно двигаться. Эти частицы имеют очень низкую кинетическую энергию. Электроны каждого атома находятся в движении, поэтому атомы имеют небольшую вибрацию, но они зафиксированы в своем положении. Твердые тела имеют определенную форму и определенный объем. Частицы упакованы настолько плотно, что увеличивающееся давление не будет сжимать твердое тело до меньшего объема.
Жидкость
В жидком состоянии частицы вещества имеют большую кинетическую энергию, чем частицы твердого тела. Частицы жидкости не удерживаются в регулярном расположении, но все же еще близки друг к другу, поэтому жидкости имеют определенный объем. Жидкость, как и твердые тела, нельзя сжимать. Частицы жидкости имеют достаточно места, чтобы обтекать друг друга, поэтому жидкость имеет неопределенную форму – она способна изменить форму, чтобы соответствовать форме бутылки. Сила распространяется равномерно по всей жидкости, поэтому, когда объект помещается в нее, ее частицы смещаются объектом.
Величина выталкивающей силы равна весу жидкости, вытесненной объектом. Когда выталкивающая сила равна силе тяжести, тянущей вниз по массе объекта, объект будет плавать.
Частицы жидкости, как правило, удерживаются слабым межмолекулярным притяжением, а не перемещаются свободно, как частицы газа. Эта сила соединяет частицы вместе, образуя капли и потоки.
В апреле 2016 года ученые заявили, что было создано необычное состояние материи, которое было предсказано, но его никто и никогда не видел. Хотя этот тип материи можно было держать в руке, как если бы это был твердый объект, увеличение бы показало беспорядочные взаимодействия его электронов, более характерные для жидкости. В новой материи, называемой квантовая спиновая жидкость Китаева, электроны вступают в квантовый танец, в котором они взаимодействуют и разговаривают друг с другом. Обычно, когда вещество остывает, спин его элеронов стремится выровняться. Но в этой квантовой спиновой жидкости электроны взаимодействуют так, что они влияют на то, как вращаются другие, и никогда не выравниваются, независимо от того, насколько сильно вы охладите материал. Он будет вести себя так, как если бы его электроны, считающиеся неделимыми, разорвались на части.
Газ
Частицы газа имеют большое пространство между собой и высокую кинетическую энергию. Если его не ограничивать, то частицы будут бесконечно разбросаны, если ограничить чем-либо – газ начнет расширятся, чтобы заполнить емкость, в которую его поместили. Когда газ оказывается под давлением, за счет уменьшения объема емкости, пространство между частицами начинает сжиматься, а давление, оказываемое их столкновениями, увеличивается. Если объем емкости постоянен, но температура газа увеличивается, то давление также будет увеличиваться. Частицы газа обладают достаточной кинетической энергией для преодоления межмолекулярных сил, которые удерживают твердые частицы и жидкость вместе, поэтому газ не имеет определенного объема и не имеет определенной формы.
Плазма
Плазма не является распространенным состоянием материи на Земле, но может быть очень распространенным состоянием во вселенной. Плазма состоит из сильно заряженных частиц с чрезвычайно высокой кинетической энергией. Благородные газы, такие как гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон, часто используются для того, чтобы сделать светящиеся вывески с помощь электричества, которое ионизирует их до состояния плазмы. А звезды по существу являются перегретыми шарами плазмы.
Конденсат Бозе-Эйнштейна
В 1995 году технологии позволили ученым создать новое состояние материи – конденсат Бозе-Эйнштейна. Используя комбинацию лазеров и магнитов охладили образец рубидия до абсолютного нуля. При такой чрезвычайно низкой температуре молекулярное движение очень близко к полной остановке. Так как кинетическая энергия почти не передается от одного атома к другому, атомы начинают сжиматься вместе. Больше нет тысяч отдельных атомов, а остается один “супер атом“. Бозе-конденсат используется для изучения квантовой механики на макроскопическом уровне. Свет замедляется, проходя черед него, что позволяет изучать парадокс частицы/волны. Также он обладает многими свойствами сверхтекучей жидкости. Конденсат еще используется для моделирования условий, которые могут быть в черных дырах.
Изменение состояния
Добавление энергии к веществу приводит к физическому изменению – материя переходит из одного состояния в другое. Например, добавление тепла к жидкой воде приводит к тому, что она становится паром, а точнее меняет свое агрегатное состояние на другое – газ. Извлечение энергии также приводит к физическим изменениям, например, когда тепло удаляется, вода становится льдом, то есть твердым телом. Физические изменения также могут быть вызваны движением или давлением.
Плавление и охлаждение
Когда тепло действует на твердое тело, то частицы этого тела начинают быстрее вибрировать и двигаться дальше друг от друга. Когда при стандартном давлении достигается определенная точка – точка плавления – твердое вещество начинает превращаться в жидкость. Точку плавления чистого вещества можно определить с точностью до 0,1°С. Если вы продолжите действовать теплом на тело, то температура не превысит точку плавления, пока все вещество не станет жидким, и только после этого температура снова начнет расти. Разные соединения имеют разную точку плавления – это величина помогает лучше различать их.
Точка замерзания – это температура, при которой жидкое вещество достаточно охлаждено, чтобы стать твердым. По мере охлаждения жидкости движение частиц замедляется. Во многих веществах частицы выравниваются точными геометрическими узорами, образуя кристаллические твердые тела. Большинство жидкостей сжимаются при замерзании. Одной из важных характеристик воды является то, что она расширяется при замерзании, поэтому лед и плавает на воде.
Точка замерзания часто близка к той же температуре, как и у точки плавления, но она не считается характерной для вещества, поскольку несколько факторов могут ее изменить. Например, добавление растворенных веществ в жидкость приведет к понижению точки замерзания. Другие жидкости можно охлаждать до температур, значительно ниже их точки плавления, прежде чем они начнут твердеть. Такие жидкости называются переохлажденными и часто требуют наличие частиц пыли или кристалла для начала процесса кристаллизации.
Сублимация
Когда твердое тело превращается в газ, минуя жидкую фазу, это называется сублимация. Она происходит, когда кинетическая энергия частиц превышает атмосферное давление, окружающее вещество. Это может произойти, когда температура вещества быстро повышается и выходит за пределы точки кипения. Чаще всего вещество может быть сублимировано путем его охлаждения в условиях вакуума, так что вода в нем подвергнется сублимации и удалится. Несколько летучих веществ будут подвергаться сублимации при нормальной температуре и давлении. Наиболее известным из этих веществ является CO2 или «сухой лед».
Испарение
Испарение представляет собой превращение жидкости в газ. Преобразование происходит путем испарения или кипения.
Поскольку частицы жидкости находятся в постоянном движении, они часто сталкиваются друг с другом, передавая при этом энергию. Эта передача энергии имеет небольшое влияние под поверхностью, но, когда достаточная энергия передается частице вблизи поверхности, частица может получить достаточную энергию, чтобы полностью удалится от образца в виде частицы свободного газа. Этот процесс называется испарением, и он продолжается до тех пор, пока не закончится жидкость. Интересно то, что жидкость охлаждается по мере испарения. Энергия, передаваемая поверхностным молекулам, которая вызывает их “вылет”, выходит из оставшегося жидкого вещества.
Когда к жидкости добавляется достаточное количество тепла, чтобы пузырьки пара образовались ниже поверхности жидкости, в этот момент мы говорим, что жидкость кипит. Температура, при которой жидкость кипит, является переменной. Точка кипения зависит от давления вещества. Жидкость под высоким давлением потребует больше тепла до того, как в ней образуются пузырьки. На больших высотах давление жидкости ниже, поэтому она будет кипеть при более низкой температуре.
Конденсация и охлаждение
Конденсация – это когда газ превращается в жидкость. Конденсация происходит, когда газ охлаждается или сжимается до такой степени, что кинетическая энергия частиц больше не может преодолевать межмолекулярные силы. Начальная группа частиц инициирует процесс, который имеет тенденцию дополнительно охлаждать газ, так что конденсация продолжается. Когда газ превращается непосредственно в твердое вещество, не проходя через жидкую фазу, это называется осаждением или десублимацией. Например, при пониженных температурах водяной пар в атмосфере преобразуется в иней и лед. Мороз стремится обрисовать стебельки травы и ветки, потому что воздух, который касается этих твердых веществ, охлаждается быстрее, чем воздух, который не касается твердой поверхности.
???? ???? ????
Источник
Понятие М. было введено в механику И. Ньютоном. В классической механике Ньютона М. входит в определение импульса (количества движения) тела: импульс p пропорционален скорости движения тела v,
p = mv .
(1)
Коэффициент пропорциональности ‒ постоянная для данного тела величина m ‒ и есть М. тела. Эквивалентное определение М. получается из уравнения движения классической механики
f = ma .
(2)
Здесь М. ‒ коэффициент пропорциональности между действующей на тело силой f и вызываемым ею ускорением тела a. Определённая соотношениями (1) и (2) М. называется инерциальной массой, или инертной массой; она характеризует динамические свойства тела, является мерой инерции тела: при постоянной силе чем больше М. тела, тем меньшее ускорение оно приобретает, то есть тем медленнее меняется состояние его движения (тем больше его инерция).
Действуя на различные тела одной и той же силой и измеряя их ускорения, можно определить отношения М. этих тел: m1 : m2 : m3 … = a1 : a2 : a3 …; если одну из М.
принять за единицу измерения, можно найти М. остальных тел.
В теории гравитации Ньютона М. выступает в другой форме ‒ как источник поля тяготения. Каждое тело создаёт поле тяготения, пропорциональное М. тела (и испытывает воздействие поля тяготения, создаваемого другими телами, сила которого также пропорциональна М. тел). Это поле вызывает притяжение любого другого тела к данному телу с силой, определяемой Ньютона законом тяготения:
,
(3)
где r ‒ расстояние между телами, G ‒ универсальная гравитационная постоянная, a m1 и m2 ‒ М. притягивающихся тел. Из формулы (3) легко получить формулу для веса Р тела массы m в поле тяготения Земли:
Р = m · g .
(4)
Здесь g = G · M / r2 ‒ ускорение свободного падения в гравитационном поле Земли, а r » R ‒ радиусу Земли. М., определяемая соотношениями (3) и (4), называется гравитационной массой тела.
В принципе ниоткуда не следует, что М., создающая поле тяготения, определяет и инерцию того же тела. Однако опыт показал, что инертная М. и гравитационная М. пропорциональны друг другу (а при обычном выборе единиц измерения численно равны). Этот фундаментальный закон природы называется принципом эквивалентности. Его открытие связано с именем Г. Галилея, установившего, что все тела на Земле падают с одинаковым ускорением. А. Эйнштейн положил этот принцип (им впервые сформулированный) в основу общей теории относительности (см. Тяготение). Экспериментально принцип эквивалентности установлен с очень большой точностью. Впервые (1890‒1906) прецизионная проверка равенства инертной и гравитационной М. была произведена Л. Этвешем, который нашёл, что М. совпадают с ошибкой ~ 10-8. В 1959‒64 американские физики Р. Дикке, Р. Кротков и П. Ролл уменьшили ошибку до 10-11, а в 1971 советские физики В. Б. Брагинский и В. И. Панов ‒ до 10-12.
Принцип эквивалентности позволяет наиболее естественно определять М. тела взвешиванием.
Первоначально М. рассматривалась (например, Ньютоном) как мера количества вещества. Такое определение имеет ясный смысл только для сравнения однородных тел, построенных из одного материала. Оно подчёркивает аддитивность М. ‒ М. тела равна сумме М. его частей. М. однородного тела пропорциональна его объёму, поэтому можно ввести понятие плотности ‒ М. единицы объёма тела.
В классической физике считалось, что М. тела не изменяется ни в каких процессах. Этому соответствовал закон сохранения М. (вещества), открытый М. В. Ломоносовым и А. Л. Лавуазье. В частности, этот закон утверждал, что в любой химической реакции сумма М. исходных компонентов равна сумме М. конечных компонентов.
Понятие М. приобрело более глубокий смысл в механике спец. теории относительности А. Эйнштейна (см. Относительности теория), рассматривающей движение тел (или частиц) с очень большими скоростями ‒ сравнимыми со скоростью света с » 3×1010 см/сек. В новой механике ‒ она называется релятивистской механикой ‒ связь между импульсом и скоростью частицы даётся соотношением:
(5)
При малых скоростях (v << с) это соотношение переходит в Ньютоново соотношение р = mv. Поэтому величину m0 называют массой покоя, а М. движущейся частицы m определяют как зависящий от скорости коэфф. пропорциональности между р и v:
(6)
Имея в виду, в частности, эту формулу, говорят, что М. частицы (тела) растет с увеличением её скорости. Такое релятивистское возрастание М. частицы по мере повышения её скорости необходимо учитывать при конструировании ускорителей заряженных частиц высоких энергий. М. покоя m0 (М. в системе отсчёта, связанной с частицей) является важнейшей внутренней характеристикой частицы. Все элементарные частицы обладают строго определёнными значениями m0, присущими данному сорту частиц.
Следует отметить, что в релятивистской механике определение М. из уравнения движения (2) не эквивалентно определению М. как коэффициент пропорциональности между импульсом и скоростью частицы, так как ускорение перестаёт быть параллельным вызвавшей его силе и М. получается зависящей от направления скорости частицы.
Согласно теории относительности, М. частицы m связана с её энергией Е соотношением:
(7)
М. покоя определяет внутреннюю энергию частицы ‒ так называемую энергию покоя Е0 = m0c2. Таким образом, с М. всегда связана энергия (и наоборот). Поэтому не существует по отдельности (как в классической физике) закона сохранения М. и закона сохранения энергии ‒ они слиты в единый закон сохранения полной (то есть включающей энергию покоя частиц) энергии. Приближённое разделение на закон сохранения энергии и закон сохранения М. возможно лишь в классической физике, когда скорости частиц малы (v << с) и не происходят процессы превращения частиц.
В релятивистской механике М. не является аддитивной характеристикой тела. Когда две частицы соединяются, образуя одно составное устойчивое состояние, то при этом выделяется избыток энергии (равный энергии связи) DЕ, который соответствует М. Dm = DЕ/с2. Поэтому М. составной частицы меньше суммы М. образующих его частиц на величину DЕ/с2 (так называемый дефект масс). Этот эффект проявляется особенно сильно в ядерных реакциях. Например, М. дейтрона (d) меньше суммы М. протона (p) и нейтрона (n); дефект М. Dm связан с энергией Еg гамма-кванта (g), рождающегося при образовании дейтрона: p + n ® d + g, Еg = Dm · c2. Дефект М., возникающий при образовании составной частицы, отражает органическую связь М. и энергии.
Единицей М. в СГС системе единиц служит грамм, а в Международной системе единиц СИ ‒ килограмм. М. атомов и молекул обычно измеряется в атомных единицах массы. М. элементарных частиц принято выражать либо в единицах М. электрона me, либо в энергетических единицах, указывая энергию покоя соответствующей частицы. Так, М. электрона составляет 0,511 Мэв, М. протона ‒ 1836,1 me, или 938,2 Мэв и т. д.
Природа М. ‒ одна из важнейших нерешенных задач современной физики. Принято считать, что М. элементарной частицы определяется полями, которые с ней связаны (электромагнитным, ядерным и другими). Однако количественная теория М. ещё не создана. Не существует также теории, объясняющей, почему М. элементарных частиц образуют дискретный спектр значений, и тем более позволяющей определить этот спектр.
В астрофизике М. тела, создающего гравитационное поле, определяет так называемый гравитационный радиус тела Rгр = 2GM/c2. Вследствие гравитационного притяжения никакое излучение, в том числе световое, не может выйти наружу, за поверхность тела с радиусом R £ Rгр. Звёзды таких размеров будут невидимы; поэтому их назвали «чёрными дырами». Такие небесные тела должны играть важную роль во Вселенной.
Лит.: Джеммер М., Понятие массы в классической и современной физике, перевод с английского, М., 1967; Хайкин С. Э., физические основы механики, М., 1963; Элементарный учебник физики, под редакцией Г. С. Ландсберга, 7 изд., т. 1, М., 1971.
Я. А. Смородинский.
Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия.
1969—1978.
Источник