Основы специальной теории относительности (СТО) Основы классической динамики Момент инерции стержня Основы термодинамики Свойства электрических зарядов Поток вектора напряженности

Курс лекций по физике

Закон сохранения электрического заряда. Электрическое поле. Основные характеристики электростатического поля - напряженность и потенциал поля. Напряженность как градиент потенциала. Поток вектора напряженности. Теорема Остроградского - Гаусса и ее применение к расчету поля. Электрическое поле в веществе. Свободные и связанные заряды в диэлектриках. Электронная и ориентационная поляризации. Поляризованность. Теорема Остроградского - Гаусса для электрического поля в диэлектрике. Электрическое смещение. Диэлектрическая проницаемость среды. Сегнетоэлектрики.

Основы классической динамики

 Общей целью механики (а с небольшими оговорками – и всей физики) является создание методов решения задач типа: дана определенная физическая система в определенных внешних условиях; требуется найти, что произойдет с этой системой через какой-то промежуток времени.

 Решение этой задачи разбивается на 3 этапа:

 а) установление величин, описывающих состояние системы;

 б) составление уравнений движения, описывающих изменение состояния во времени;

в) нахождение физических величин, опытное измерение которых дает возможность судить о том, что происходит реально с исследуемой системой.

В классической физике состояние простейшей системы – материальной точки массой m в данный момент времени полностью определяется её координатами x,y,z и компонентами скорости Vx,Vy,Vz или радиус-вектором частицы и её скоростью

Для составления «механических» уравнений движения в физике разработаны общие и достаточно простые методы, однако опять-таки требуется введение некоторых упрощающих предположений (моделей).

Одним из важных является представление об изолированной и замкнутой системах.

Система частиц (тел) называется замкнутой или изолированной, если каждая из частиц системы не взаимодействует ни с какими внешними телами.

Например, с высокой точностью изолированной можно считать Солнечную систему, с некоторыми допущениями – систему «биллиардный стол +шары» и т.п.

Будем рассматривать в основном нерелятивистские законы, упоминая о релятивизме лишь там, где это необходимо. В частности, будем помнить, что по представлениям теории относительности масса тела не является фундаментальной константой, а изменяется со скоростью в соответствии с уравнением

 и при Достоверность последнего уравнения была подтверждена Кауфманом еще в 1901 году в его опытах по ускорению электронов (до создания СТО).

Масса рассматривается как количественная мера инерционных свойств тел, их способности «сопротивляться» внешнему силовому воздействию.

Импульс, закон сохранения импульса.

Импульс тела Р определяется произведением массы тела на его скорость:

 

Импульс - величина векторная и совпадает по направлению с вектором скорости. Скорость тела зависит от выбора системы отсчета, относительно которой рассматривается движение тела, поэтому, определяя импульс, необходимо указывать систему отсчета.

Рассмотрим некоторую изолированную систему, состоящую из N частиц, скорости которых обозначим  а массы m1,m2,…,mN соответственно.

Опытным путем установлено, что для такой системы выполняется условие

Это уравнение и является фундаментальным законом физики – законом сохранения импульса – полный импульс изолированной системы остается постоянным. Под постоянством понимают неизменность со временем. Однако обмен импульсами внутри системы отнюдь не запрещен.

Так как при релятивистских скоростях масса тела не сохраняется, то в этом случае импульс тела можно определить из выражения

 Отличие релятивистского импульса от классического наглядно демонстрирует рис.4.1.

 

Рис.4.1. Зависимость классического и релятивистского импульсов от скорости.

Закон сохранения импульса пока не опровергнут ни в каких опытах: ни в макроскопической классической физике, ни в микромире, ни при релятивистских скоростях движения.

Закон сохранения центра инерции.

Из закона сохранения импульса может быть получено очень важное следствие: закон сохранения центра инерции физической системы.

Центром инерции системы частиц с радиус-векторами  называется точка с радиус-вектором

где суммирование производится по всем частицам системы.

Закон сохранения центра инерции формулируется так:

Центр инерции изолированной системы частиц движется равномерно и прямолинейно.

Это просто обобщение принципа инерции (1-го закона Ньютона) на систему частиц.

Для доказательства закона попытаемся его опровергнуть. Вычислим производную вектора по времени, т.е. найдем в предположении изолированной системы, т.е. m=const и const.

А так как const и m=const, то и  Таким образом, закон сохранения центра инерции подтверждается.

Заметим еще, что соотношение  - полной массе системы называют законом аддитивности масс. Из школьного курса физики Вы знаете, что этот закон в области ядерной физики не выполняется и, следовательно, фундаментальным не является, в отличие от закона сохранения импульса.

Законы Ньютона в классической механике. Роль законов Ньютона в физике необозримо велика. На основе ограниченного числа законов построена целая наука – механика, скоро 300 лет используемая человечеством в своей практической и научной деятельности.

Нефундаментальные взаимодействия. Внутриатомные силы (если не рассматривать внутриядерные) удовлетворительно описываются электромагнитным взаимодействием. Межатомные и межмолекулярные силы бывают довольно разнообразными, но все взаимодействия объясняются электростатическими силами. Конденсированное состояние вещества – твердое тело - характеризуется способностью сопротивляться как силам сжатия, так и силам растяжения. Из ряда фундаментальных сил природы - гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое - лишь электромагнитное взаимодействие способно обеспечить силы, достаточные для обеспечения межатомных и межмолекулярных сил, прочных, жестких и пластичных одновременно.

Контактные силы. Контактными называются силы, возникающие при соприкосновении тел и действующие со стороны одного тела на другое. При этом, конечно, возникают деформации, но они обычно невелики и тела рассматриваются как абсолютно твердые.

Механическая работа. Мощность. Механическая энергия. Физическая величина силы тесно связана с другой очень важной величиной – величиной работы. Из курса физики средней школы известно, что, если на частицу, движущуюся по прямой линии, действует сила F, направленная под углом a к направлению движению

Связь силы и потенциальной энергии. Каждой точке потенциального поля сил соответствует, с одной стороны, некоторое значение силы F, действующей на тело, с другой стороны – некоторое значение потенциальной энергии U для данной конфигурации взаимодействующих тел. Следовательно, между  и U должна существовать какая-то функциональная связь.

Постоянный электрический ток, его характеристики и условия существования. Классическая электронная теория электропроводности металлов. Вывод закона Ома в дифференциальной форме из электронных представлений. Обобщенный закон Ома в интегральной форме. Разность потенциалов, электродвижущая сила, напряжение. Границы применимости закона Ома. Ток в газах. Плазма. Дебаевский радиус экранирования. Работа выхода электронов из металла. Термоэлектронная эмиссия.
создание методов решения задач по физике