Глава 3. утоляем жажду скорости

Содержание:

Введение[править]
8 класс
Основные теории
Связываем ускорение, время и перемещение
- Не такие уж и далекие связи
- Выводим более сложные соотношения
Что изучает физика?

Введение[править]

Появление квантовой механики привело к огромной революции не только в физике, но и в смежных дисциплинах — в химии это объяснило структуру молекул и позволило предсказывать свойства новых соединений (см. квантовая химия). Квантовая теория помогла развитию и техники полупроводников, без которой совершенно немыслима современная электроника, а также способствовала созданию квантовых генераторов излучения — лазеров, прочно вошедших в повседневную жизнь человека.

Важнейшее последствие открытий в квантовой физике, теории относительности и ядерной физике — овладение ядерной энергией. Это наиболее известное широкой публике достижение физики.

Большой взрыв и расширение Вселенной

Наиболее впечатляющим достижением физики середины XX века, которое должно иметь огромные последствия для мировоззрения и философии — открытие расширения Вселенной, а впоследствии открытия существования «начала Вселенной» — Большого взрыва.

Сейчас крупные фундаментальные открытия происходят и ожидаются в астрофизике и в космологии. В космологии обнаружили существование тёмной материи и тёмной энергии — невидимой современными инструментами материи и энергии, которая, однако, участвует в гравитационном взаимодействии. Тёмная материя и энергия составляет подавляющую долю в массе вещества Вселенной и определяет её эволюцию и дальнейшую судьбу. Недавно открытое впечатляющее проявление тёмной энергии — ускорение расширения Вселенной. Важнейшее открытие астрофизики — обнаружение планетных систем у далёких звёзд (см. Экзопланеты). Это поможет ответить на важнейший вопрос — одиноко ли человечество во Вселенной, а также позволит выяснить, ограничено ли время жизни цивилизации, см. Уравнение Дрейка.

«Стандартная Модель» в физике элементарных частиц даёт нам законы поведения микромира практически при всех доступных человечеству энергиях. Однако она является не «окончательной теорией», а лишь низкоэнергетическим проявлением неких более глубоких, пока не известных нам законов. Поэтому поиск не предсказываемых Стандартной Моделью эффектов, которые были бы окном в мир «новой физики», является важным направлением современной физики элементарных частиц. Такие эффекты ищутся как на ускорителях, так и в неускорительных экспериментах.

В настоящее время физики интересуются не только «фундаментальными» эффектами (в частности, происходящими при высоких энергиях), но и «сложными», т. е. эффектами, которые описываются давно известными фундаментальными законами, но происходят в очень сложных для понимания (неравновесных и нелинейных) системах многих частиц. Построенная современной физикой картина окружающего мира не только позволяет предсказывать его изменения, но и подчеркивает принципиальную ограниченность таких предсказаний. Так, развитие теории устойчивости и нелинейной динамики привело к открытию спонтанного возникновения хаоса в детерминированных системах.

8 класс

01. Тепловые явления

01. Тепловое движение. Температура
02. Внутренняя энергия
03. Способы изменения внутренней энергии
04. Теплопроводность
05. Конвекция
06. Излучение
07. Особенности различных способов теплопередачи. Примеры теплопередачи в природе и технике
08. Количество теплоты. Единицы количества теплоты
09. Удельная теплоёмкость
10. Расчёт количества теплоты, необходимого для нагревания тела или выделяемого им при охлаждении
11. Лабораторная работа. Измерение удельной теплоемкости твердого тела
12. Энергия топлива. Удельная теплота сгорания
13. Закон сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах
14. Уравнение теплового баланса

02. Агрегатные состояния вещества

01. Плавление и отвердевание кристаллических тел. График плавления и отвердевания
02. Удельная теплота плавления
03. Решение задач по теме Нагревание и плавление кристаллических тел
04. Испарение. Поглощение энергии при испарении жидкости и выделение ее при конденсации пара
05. Кипение. Удельная теплота парообразования и конденсации
06. Решение задач по теме Агрегатные состояния вещества. Переходы из одного агрегатного состояния в другое
07. Влажность воздуха. Способы определения влажности воздуха
08. Работа газа и пара при расширении. Двигатель внутреннего сгорания
09. Паровая турбина. КПД теплового двигателя
10. Решение задач по теме КПД
11. Решение более сложных задач по теме Изменение агрегатных состояний вещества

03. Электромагнитные явления

01. Электризация тел при соприкосновении. Взаимодействие заряженных тел. Два рода зарядов
02. Электроскоп. Проводники и непроводники электричества
03. Электрическое поле
04. Делимость электрического заряда. Строение атомов
05. Объяснение электрических явлений
06. Электрический ток. Источники электрического тока
07. Электрическая цепь и ее составные части
08. Электрический ток в металлах. Действия электрического тока. Направление тока
09. Сила тока. Единицы силы тока
10. Амперметр. Измерение силы тока
11. Электрическое напряжение
12. Электрическое сопротивление проводника. Единица сопротивления
13. Зависимость силы тока от напряжения. Закон Ома для участка цепи
14. Расчёт сопротивления проводника. Удельное сопротивление
15. Реостаты
16. Последовательное соединение проводников
17. Параллельное соединение проводников
18. Решение задач на тему Электрическое сопротивление. Закон Ома
19. Решение задач по теме Смешанное соединение проводников
20. Работа электрического тока
21. Мощность электрического тока
22. Решение задач по теме Работа и мощность электрического тока
23. Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля-Ленца
24. Лампа накаливания. Электрические нагревательные приборы
25. Короткое замыкание. Предохранители
26. Решение задач по теме Электрические явления
27. Варианты контрольной работы Электрические явления
28. Магнитное поле прямого тока. Магнитные линии
29. Магнитное поле катушки с током. Электромагниты
30. Применение электромагнитов
31. Постоянные магниты. Магнитное поле постоянных магнитов. Магнитное поле Земли
32. Действие магнитного поля на проводники с током. Электрический двигатель
33. Повторение темы Электромагнитные явления
34. Контрольная работа по теме Электромагнитные явления

04. Световые явления

01. Источники света. Распространение света
02. Отражение света
03. Плоское зеркало
04. Преломление света
05. Линзы. Оптическая сила линзы
06. Изображения, даваемые линзой
07. Лабораторная работа Получение изображения при помощи линзы
08. Повторение темы Световые явления

Глава 2 чувствительность и ее нарушения

Основные теории

Глава первая. в сердце пустыни

Хотя физика имеет дело с разнообразными системами, некоторые физические теории применимы в больших областях физики. Такие теории считаются в целом верными при дополнительных ограничениях. Например, классическая механика верна, если размеры исследуемых объектов намного больше размеров атомов, скорости существенно меньше скорости света, и гравитационные силы малы. Эти теории всё ещё активно исследуются; например, такой аспект классической механики, как теория хаоса был открыт только в XX веке. Они составляют основу для всех физических исследований. В рамках этих теорий М. В. Ломоносов объяснил причины агрегатных состояний веществ (твёрдое, жидкое и газообразное состояния) и разработал теорию теплоты.

Теория	Основные разделы	Понятия
Классическая механика	Законы Ньютона — Лагранжева механика — Гамильтонова механика — Теория хаоса — Гидродинамика — Геофизическая гидродинамика — Механика сплошных сред	Вещество — Пространство — Время — Энергия — Движение — Масса — Длина — Скорость — Сила — Мощность — Работа — Закон сохранения — Момент инерции — Угловой момент — Момент силы — Волна — Действие — Размерность
Электромагнетизм	Электростатика — Электричество — Магнитостатика — Магнетизм — Уравнения Максвелла — Электродинамика — Магнитная гидродинамика	Электрический заряд — Напряжение — Ток — Электрическое поле — Магнитное поле — Электромагнитное поле — Электромагнитное излучение — Сопротивление — Электродвижущая сила
Термодинамика и Статистическая физика	Тепловая машина — Молекулярно-кинетическая теория — Неравновесная термодинамика	Удельный объём (Плотность) — Давление — Температура — Постоянная Больцмана — Энтропия — Свободная энергия — Термодинамическое равновесие — Статистическая сумма — Микроканоническое распределение — Большое каноническое распределение — Количество теплоты
Квантовая механика	Уравнение Шрёдингера — Интеграл Фейнмана — Квантовая теория поля	Гамильтониан — Тождественные частицы — Постоянная Планка — Измерение — Квантовый осциллятор — Волновая функция — Нулевая энергия — Перенормировка
Теория относительности	Специальная теория относительности — Общая теория относительности — Релятивистская гидродинамика	Принцип относительности — 4-вектор — Пространство-время — Световой конус — Мировая линия — Скорость света — Относительность одновременности — Тензор энергии-импульса — Кривизна пространства-времени — Чёрная дыра

Связываем ускорение, время и перемещение

Скорость в физике — это… формула скорости

Итак, в этой главе вы познакомились с четырьмя параметрами движения: ускорением, скоростью, временем и перемещением. Перемещение и время связаны следующим простым соотношением для скорости:

Аналогично, скорость и время связаны следующим простым соотношением для ускорения:

Однако эти соотношения связывают только по два “уровня” переменных, т.е. скорость с перемещением и временем, а ускорение со скоростью и временем. А как связать три “уровня” переменных, т.е. ускорение со временем и перемещением?

Допустим, что вы участвуете в гонке и после пробного заезда хотели бы знать ускорение, которое способен обеспечить ваш автомобиль по известному пройденному пути 402 метра за 5,5 секунд. Таким образом, получается задача, в которой нужно связать ускорение с перемещением и временем.

Итак, для решения этой задачи нужно вывести уравнение связи ускорения с перемещением и временем.

Не такие уж и далекие связи

Попробуем связать ускорение, перемещение и время, жонглируя разными переменными, пока не получим нужный результат. Перемещение равно средней скорости, умноженной на время:

Итак, у нас есть отправная точка. Какова средняя скорость автомобиля из предыдущего примера? Начальная скорость была равна 0, а конечная — очень большой. Поскольку ускорение было постоянным, то скорость росла линейно от нуля до конечного значения (рис. 3.5).

При постоянном ускорении средняя скорость равна половине суммы конечной и начальной скоростей:

Конечная скорость равна:

Тогда средняя скорость равна:

Теперь подставим это выражение для средней скорости в уравнение для перемещения \( s=\overline{v}t \) и получим:

Теперь вместо переменной \( t \) можно подставить исходную разность конечного и начального моментов времени и получим:

Ура! Мы вывели одно из наиболее важных соотношений между ускорением, перемещением, временем и скоростью, которые используются в физических задачах.

Выводим более сложные соотношения

А что если движение началось не с нулевой начальной скоростью? Как в таком случае связать ускорение, время и перемещение? Как такое начальное значение скорости, например 100 миль в час, повлияет на величину пройденного расстояния? Поскольку расстояние равно скорости, умноженной на время, то искомое соотношение имеет следующий вид:

Такое выражение не так уж и легко запомнить, если, конечно, вы не обладаете фотографической памятью. Сложно даже запомнить более простую формулу связи между перемещением и временем для движения с постоянным ускорением, с нулевого начального момента и с нулевой начальной скоростью:

Так каким же было ускорение автомобиля в одном из предыдущих примеров? Теперь мы знаем, как связаны перемещение, ускорение и время, и для ответа на этот вопрос нужно применить алгебраические навыки. Итак, мы имеем:

После деления обеих частей на \( t^2 \) и умножения на 2 получим:

Великолепно! Подставляя числа, получим:

Итак, получилось, что ускорение автомобиля равно 27 метров в секунду в квадрате. Насколько велико это ускорение? Например, ускорение свободного падения в поле тяготения Земли, \( g \), равно около 9,8 метров в секунду в квадрате, т.е. ускорение автомобиля приблизительно равно \( 2,7g \).

Что изучает физика?

Слово «физика» возникло в глубокой древности. Родоначальником физики был ученый Аристотель (Др. Греция 384-322 г.г. до н. э.). Он написал книгу «Физика», посвященную исследованиям природы. Значит, греческое слово «физика» — это наука о природе.

Примеры изучения физики: свет, звук, лёд, радуга (Источник unsplash.com)

Природа — все живое и неживое в окружающем нас мире. Все, что связано с любыми природными объектами, о которых можно судить по ощущениям человека – это материя. В классе – парты, стулья, учебники, карандаши, ручки; в столовой – вкусные обеды и завтраки, аппетитные запахи; на улице – машины, люди, здания, ветер, бегущие после дождя ручейки; дома – знакомые вещи, мебель; в лесу – деревья, кусты, трава, птицы, животные.

Эти и другие предметы называются физическими телами. Тело состоит из вещества. Например, линейка может быть деревянной, стальной, пластмассовой. Поэтому, сталь, дерево, пластмасса – это физические вещества.

Некоторые тела состоят из одного вещества, другие – из нескольких, например, бронза – сплав меди и олова. Тела, состоящие из одного вещества, называются однородными, а из нескольких веществ – неоднородными.

Вещество можно видеть, ощущать, фиксировать при помощи органов чувств. Но существует еще один вид материи, которая регистрируется только приборами. Это поле. Поле определяет притяжение тел к Земле, а планет к Солнцу. Останкинскую телебашню и телевизоры в домах соединяют между собой также физические поля.

Магнитное поле вокруг Земли ()

Понятия «материя» и «поле» более глубоко изучаются в старших классах.