Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методологические основы курса физики. Учебно-методичеcкое пособие
.pdf
энергии» и вместо «сумма напряженных сил» — «убыль потенциальной
энергии» .
3. Открытие закона сохранения электрического заряда
Еще в глубокой древности было известно, что янтарь, потертый о
шерсть, притягивает легкие предметы. Английский врач Джильберт (конец
XVI в.) назвал тела, способные после натирания притягивать легкие пред-
меты, наэлектризованными. Сейчас мы говорим, что тела при этом приоб-
ретают электрические заряды. Несмотря на огромное разнообразие ве-
ществ в природе, существует только два типа электрических зарядов: за-
ряды, подобные возникающим на стекле, потертом о кожу (их назвали по-
ложительными), и заряды, подобные возникающим на эбоните, потертом
о мех (их назвали отрицательными), одноименные заряды друг от друга
отталкиваются, разноименные — притягиваются.
Опытным путем (1910—1914) американский физик Р. Милликен
(1868—1953) показал, что электрический заряд дискретен, т.е. заряд любо-
го тела составляет целое кратное от элементарного электрического заряда е
(е=1,6•10 - 19 Кл). Электрон (т
=9,11 • 10
е
-31
кг) и протон (тр= 1,67 • 10
-27
кг)
являются соответственно носителями элементарных отрицательного и по-
ложительного зарядов.
Все тела в природе способны электризоваться, т.е. приобретать элек-
трический заряд. Электризация тел может осуществляться различными
способами: соприкосновением (трением), электростатической индукцией и
т.д. Всякий процесс заряжения сводится к разделению зарядов, при кото-
ром на одном из тел (или части тела) появляется избыток положительного
заряда, а на другом (или другой части тела) — избыток отрицательного за-
ряда. Общее количество зарядов обоих знаков, содержащихся в телах, не
изменяется: эти заряды только перераспределяются между телами.
151
Из обобщения опытных данных был установлен фундаментальный
закон природы, экспериментально подтвержденный в 1843 г. английским
физиком М. Фарадеем (1791—1867), — закон сохранения заряда: алгеб-
раическая сумма электрических зарядов любой замкнутой системы (систе-
мы, не обменивающейся зарядами с внешними телами) остается неизмен-
ной, какие бы процессы ни происходили внутри этой системы.
Электрический заряд — величина релятивистски инвариантная, т.е.
не зависит от системы отсчета, а значит, не зависит от того, движется этот
заряд или покоится.
Рекомендуемая литература
1. В.Ф. Ефименко Методологические вопросы школьного курса физики.
М.: «Педагогика», 1976.
2. И.В. Савельев «Курс физики». Издание 2-е переработанное. – М., Нау-
ка, 1982. – 1 том.
3. Кудрявцев П.С. Курс истории физики: учеб. пособие для студентов пед.
ин-тов по физ. спец. - 2 изд., испр. и доп. - М. : Просвещение, 1982. -
448 с.
4. Т.И. Трофимова Курс физики. - ФГУП Издательство «Высшая школа»,
2002.
Тема 13. Масса
План:
1. Единство понятия массы;
2. Определение понятия массы через разделы курса физики;
1. Единство понятия массы
(от греческого μάζα) — одна из важнейших физических вели-
чин. Первоначально (XVII—XIX века) она характеризовала «количество
вещества» в физическом объекте, от которого, по представлениям того
времени, зависели как способность объекта сопротивляться приложенной
152
силе (инертность), так и гравитационные свойства — вес. Тесно связана с
понятием «энергия» (по современным физическим представлениям эквивалентна ей).
В современной физике понятие «количество вещества» имеет другой
смысл, а под массой понимают два различных свойства физического объ-
екта:
Гравитационная масса показывает, с какой силой тело взаимодействует
с внешними гравитационными полями (пассивная гравитационная мас-
са) — фактически эта масса положена в основу измерения массы взве-
шиванием в современной метрологии, и какое гравитационное поле
создаѐт само это тело (активная гравитационная масса) — эта масса
фигурирует в законе всемирного тяготения.
Инертная масса, которая характеризует меру инертности тел и фигури-
рует во втором законе Ньютона. Если произвольная сила в инерциаль-
ной системе отсчѐта одинаково ускоряет разные исходно неподвижные
тела, этим телам приписывают одинаковую инертную массу.
Гравитационная и инертная масса равны друг другу (практически с
гигантской точностью (выше 10−15), а в большинстве физических теорий
— точно), поэтому в большинстве случаев просто говорят о массе, не
уточняя, какую из них имеют в виду.
Масса тела не зависит от того, какие внешние силы на это тело дей-
ствуют.
Гравитационная масса — характеристика материальной точки при
анализе в классической механике, которая полагается причиной гравита-
ционного взаимодействия тел в отличие от инертной массы, которая опре-
деляет динамические свойства тел.
Как установлено экспериментально, эти две массы пропорциональны
друг другу. Не было обнаружено никаких отклонений от этого закона, по-
153
этому новых единиц измерения для инерционной массы не вводят (исполь-
зуют единицы измерения гравитационной массы) и коэффициент пропор-
циональности считают равным единице, что позволяет говорить и о равен-
стве инертной и гравитационной масс.
Можно сказать, что первая проверка пропорциональности двух ви-
дов массы была выполнена Галилео Галилеем, который открыл универ-
сальность свободного падения. Согласно опытам Галилея по наблюдению
свободного падения тел, все тела независимо от их массы и материала па-
дают с одинаковым ускорением свободного падения. Сейчас эти опыты
можно трактовать так: увеличение силы, действующей на более массивное
тело со стороны гравитационного поля Земли, полностью компенсируется
увеличением его инертных свойств. Следовательно, гравитационная масса
пропорциональна инертной массе.
На равенство инертной и гравитационной масс обратил внимание
ещѐ Ньютон, он же впервые доказал, что они отличаются не более чем на
0,1 % (иначе говоря, равны с точностью до 10−3).. На сегодняшний день
это равенство экспериментально проверено с очень высокой степенью
точности (чувствительность к относительной разности инертной и грави-
тационной масс в лучшем эксперименте на 2009 год равна
(0,3±1,8)×10−13).
Фактически равенство гравитационной и инертной масс было сфор-
мулировано А. Эйнштейном в виде слабого принципа эквивалентности —
составной части принципов эквивалентности, положенных в основу общей
теории относительности. Существует также сильный принцип эквивалент-
ности, по которому в свободно падающей системе локально выполняется
специальная теория относительности. Он на сегодняшний день проверен
со значительно меньшей точностью.
154
В классической механике масса есть величина аддитивная (масса
V
m
mgF
òÿæ
*
m
F
a
системы равна сумме масс составляющих еѐ тел) и инвариантная относи-
тельно смены системы отсчѐта. В релятивистской механике масса неадди-
тивная величина, но тоже инвариантная, и хотя здесь под массой понима-
ется абсолютная величина 4 вектора энергии-импульса, лоренцинвариантная.
Введение так называемой релятивистской массы, зависящей от вели-
чины скорости тела в рассматриваемой системе отсчѐта, использовалось в
ранних работах по теории относительности. В настоящее время термины
«релятивистская масса» и «масса покоя» считаются устаревшими.
Масса – мера количества вещества и энергии, мера инертности, мера
гравитационного взаимодействия.
2. Определение понятия массы через разделы курса физики
Механика.
Масса тела – это физическая величина, которая характеризует его
инертность.
Плотность – это физическая величина, которая равна отношению
массы тела к его объему:
Связь между силой тяжести и массой тела:
.
.
Масса тела (инертная масса) – физическая величина, характеризую-
щая меру инертности тела.
II закон Ньютона: в инерциальной системе отсчета ускорение тела
прямо пропорционально векторной сумме всех действующих на тело сил и
обратно пропорционально массе тела:
.
Закон всемирного тяготения: между любыми двумя материальными
точками действует сила взаимного притяжения, пропорциональная произ-
155
ведению масс этих точек и обратно пропорциональная квадрату расстоя-
2
21
r
mm
g
GF
mp
2
2
m
k
E
m
k
T 2
2
2
0
1
c
m
m
2
mcE
22
/1 cv
c
mmm
12
6
27
10*66,1*
ra
Mm
1*
r
MM
ния между ними:
.
Импульс тела – векторная физическая величина, равная произведе-
нию массы тела на его скорость и имеющая направление скорости:
Кинетическая энергия – скалярная физическая величина, равная по-
ловине произведения массы тела на квадрат его скорости:
.
Масса характеризует инертные свойства маятника: чем больше мас-
са, тем медленнее раскачивается маятник, тем больше его период колеба-
ний:
.
Масса покоя – масса тела в системе отсчета, относительно которой
тело покоится.
Взаимосвязь массы и энергии (закон сохранения массы - энергии):
вещество имеет массу и обладает энергией; поле имеет энергию и обладает
массой.
Невесомость. Явление отсутствия веса при движении тела и опоры с
ускорением свободного падения.
P = m(g+a)
Получение массы Солнца: M = 4π2 r 2/ GT
Релятивистский импульс: P = mv/
Молекулярная физика.
Массовое число (А) равно числу нуклонов в ядре атома: A=Z+N.
Дефект массы – разность суммарной массы отдельных частиц, вхо-
дящих в состав атома (ядра), и полной массы атома (ядра):
.
Относительная атомная масса (Mr) – число атомных единиц массы,
содержащихся в массе атома.
Молярная масса – масса одного моля.
кг; MrА.
г/моль. M = m/v
156
Моль – количество вещества, масса которого выражается в граммах,
)(
12
ttcmQ
mQ
m
ÿnp
MNmZmm )(
m
E
èçë
D
численно равна относительной атомной массе.
Масса молекул: m = M/ Na
Термодинамика.
Удельная теплоемкость (с) – физическая величина, численно равна
количеству теплоты, которое необходимо передать телу массой 1 кг для
того, чтобы его температура изменилась на 10С:
.
Удельная теплота сгорания (q) – физическая величина, показываю-
щая, какое количество теплоты выделяется при полном сгорании топлива
массой 1 кг: Q = qm.
Удельная теплота плавления ( ) – физическая величина, показы-
вающая, какое количество теплоты необходимо сообщить кристалличе-
скому телу массой 1кг, чтобы при температуре плавления перевести его в
жидкое состояние:
.
Удельная теплота парообразования (L) - физическая величина, пока-
зывающая, какое количество теплоты необходимо, чтобы обратить жидкость массой 1 кг в пар без изменения температуры: Q = Lm.
Квантовая физика (атом и атомное ядро).
Массовое число (А) – это общее число нуклонов в ядре.
Дефект массы – недостаток массы ядра
ной массой составляющих его нуклонов.
по сравнению с суммар-
Критическая масса – наименьшая масса урана, при которой возмож-
но протекание цепной реакции (9 класс).
Критическая масса – минимальная масса урана, начиная с которой
реакция деления ядер становится самоподдерживающейся (11 класс).
Доза поглощения излучения – отношение энергии излучения Е
глощенной облучаемым теплом, к его массе m:
157
.
изл
, по-
Атом водорода. Стационарными в атоме являются лишь такие со-
стояния, в которых для вяжущихся по круговым орбитам электронов вы-
полняется условие: mvr = n*h/2π
-27
2
кг.
Радиус стационарной круговой орбиты в атоме: rn = n2 h2 ε0 / πmZe
Масса протона и нейтрона: m = 1.6726*10
-27
кг ; m = 1.6749*10
Волны де Бройля: λ = h/mv
Вопросы и задания
1. В чем состоит свойство инертности?
2. Как связаны между собой массы взаимодействующих тел и ускорения,
возникающие при их взаимодействии?
3. Каким образом может быть измерена масса отдельного тела?
4. Чему равна относительная молекулярная масса воды?
5. Чему равно количество вещества в литре воды?
Рекомендуемая литература
1. Макс Джеммер. Понятие массы в классической и современной физике.
— М.: Прогресс, 1967.
2. Окунь Л. Б. О письме Р. И. Храпко «Что есть масса?» // Успехи физи-
ческих наук. – 2000 - № 170. - С. 1366
3. Окунь Л. Б. Понятие массы (Масса, энергия, относительность) // Успе-
хи физических наук. - 1989- № 158
4. Спасский, Б. И.. История физики. - М., «Высшая школа», 1977
Тема 14. Температура
План:
1. Зарождение и развитие термометрии;
2. Смысл понятия температуры;
3. В области высоких и низких температур.
158
1. Зарождение и развитие термометрии
С глубокой древности понятие температуры в ощущении человека
связывалось со степенью нагретости тел. Слово температура («лат. tempe-
ratura - смесь, правильное соотношение) принадлежит древнегреческим
врачам, которые, смешивая между собой различные лекарства, добивались
желаемого результата: согревать или охлаждать тело. Уже тогда в практи-
ческой деятельности встал вопрос: до какой степени можно согревать или
охлаждать? Великий врач Гален (11 в.) предложил все лекарства класси-
фицировать по степени воздействия на организм человека и назвал эти
степени градусами («лаt. gradus - степень, ступень, шаг). Было четыре
главных градуса: градус тепла, градус холода, градус влажности и градус
сухости. Каждый из этих градусов разбивался еще на три – итого была 12градусная шкала. Таким образом, понятие «температура» стало определять
величину теплового воздействия на организм в градусах. Однако числен-
ную связь между температурой и градусами древние врачи установить не
могли.
Новый подход к изучению тепловых явлений наметился в ХYII веке.
Но изучать их было невозможно без точных измерений температуры тел.
Первый прибор для измерения температуры сделал Галилео Галилей
(1564-1642) в 1600 году. Он состоял из стеклянного шара, наполненного
воздухом, от которого отходила трубка, частично заполненная водой, ко-
торая заканчивалась в сосуде, также наполненном водой. Когда воздух в
шаре расширялся или сжимался, уровень воды в трубке изменялся. Этот
прибор измерял довольно неопределенную величину, но все же он позво-
лял сравнивать температуру разных тел в одно и то же время и в одном и
том же месте.
За термоскопом Галилея последовали многочисленные приборы
флорентийских академиков. Академик Каспар Энс в 1636 г. опубликовал
159
книгу «Математический чудотворец», в которой впервые употребил слово
термометр («гр. thermos – теплый + metron – мера) и описал 8-градусную
шкалу.
Действие всех термометров было основано на изменении объема
тел при нагревании. Ими стали измерять давление, влажность и темпера-
туру воздуха. Их заполняли уже не водой, а спиртом и наносили деления
расплавленной эмалью. Ими можно было измерять температуру с точно-
стью до 1
0
.
Сравнительно хороший термометр сделал изобретатель-самоучка
бургомистр Магдебурга Отто фон Герике (1602-1686). Его прибор состоял
из латунного шара, заполненного воздухом, и изогнутой в форме буквы U
трубки со спиртом. Температуру указывал деревянный человечек, который
с помощью шнура и блока был связан с латунной запаянной коробочкой,
плававшей в открытом конце прибора. Для того чтобы измерять темпера-
туру воздуха в каких-то абсолютных единицах, нужно было избрать за начало шкалы какую-то точку. Герике избрал точку, около которой останав-
ливался его человечек при первых заморозках. Это было наивно, но это
был первый шаг.
С конца XVII века над созданием температурной шкалы трудятся
многие ученые. Понадобилось немало времени, чтобы придти к мысли о
постоянных точках на шкале температур.
Исаак Ньютон (1643-1727) опорную точку отсчета – «нуль» поме-
щает в точке замерзания воды. В своей работе «О шкале степеней тепла и
холода» он описывает 12-градусную шкалу: 120 отвечали температуре тела
здорового человека.
Нидерландский ученый Христиан Гюйгенс (18629-1695) предложил
избрать в качестве опорной точки термометра точку кипения воды.
160
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]