Beispiele für physikalische Gesetze. Gesetz der Physik im Alltag: Was du gibst, ist was du bekommst
GRUNDGESETZE DER PHYSIK
[ Mechanik | Thermodynamik | Strom | Optik | Atomphysik]
ENERGIEN DER ERHALTUNGS- UND TRANSFORMATIONSGESETZ – ein allgemeines Naturgesetz: Die Energie eines geschlossenen Systems bleibt während aller im System ablaufenden Prozesse konstant (konserviert). Energie kann nur von einer Form in eine andere umgewandelt und zwischen Teilen des Systems umverteilt werden. Bei einem offenen System ist eine Zunahme (Abnahme) seiner Energie gleich einer Abnahme (Zunahme) der Energie der mit ihm interagierenden Körper und physikalischen Felder.
1. MECHANIK
ARCHIMEDISCHES GESETZ – das Gesetz der Hydro- und Aerostatik: Auf einen Körper, der in eine Flüssigkeit oder ein Gas eingetaucht ist, wirkt eine vertikal nach oben gerichtete Auftriebskraft, die numerisch dem Gewicht der vom Körper verdrängten Flüssigkeit oder des Gases entspricht und in der Mitte wirkt der Schwerkraft des eingetauchten Körperteils. FA= gV, wobei r die Dichte der Flüssigkeit oder des Gases ist, V das Volumen des eingetauchten Körperteils. Ansonsten kann man es wie folgt formulieren: Ein Körper, der in eine Flüssigkeit oder ein Gas eingetaucht ist, verliert so viel Gewicht, wie die Flüssigkeit (oder das Gas), die er verdrängt, wiegt. Dann ist P = mg - FA. Eine weitere Gruppe ist offen. Wissenschaftler Archimedes im Jahr 212. Chr. Es ist die Grundlage der Theorie der schwimmenden Körper.
UNIVERSELLES GRAVITATIONSGESETZ – Newtons Gravitationsgesetz: Alle Körper werden mit einer Kraft zueinander angezogen, die direkt proportional zum Produkt der Massen dieser Körper und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands zwischen ihnen ist: , wobei M und m die Massen sind der interagierenden Körper, R ist der Abstand zwischen diesen Körpern, G ist die Gravitationskonstante (in SI G=6,67,10-11 N.m2/kg2).
GALILEO-RELATIVITÄTSPRINZIP, mechanisches Relativitätsprinzip - das Prinzip der klassischen Mechanik: In jedem Inertialbezugssystem laufen alle mechanischen Phänomene unter denselben Bedingungen auf die gleiche Weise ab. Heiraten. Relativitätsprinzip.
HOOKS GESETZ – ein Gesetz, nach dem elastische Verformungen direkt proportional zu den äußeren Einflüssen sind, die sie verursachen.
Impulserhaltungsgesetz – ein Gesetz der Mechanik: Der Impuls eines geschlossenen Systems bleibt während aller im System ablaufenden Prozesse konstant (konserviert) und kann nur aufgrund ihrer Wechselwirkung zwischen Teilen des Systems umverteilt werden.
NEWTONS GESETZE – drei Gesetze, die der klassischen Newtonschen Mechanik zugrunde liegen. 1. Hauptsatz (Trägheitsgesetz): Ein materieller Punkt befindet sich in einem Zustand geradliniger und gleichförmiger Bewegung oder Ruhe, wenn nicht andere Körper auf ihn einwirken oder die Wirkung dieser Körper kompensiert wird. 2. Hauptsatz (Grundgesetz der Dynamik): Die von einem Körper aufgenommene Beschleunigung ist direkt proportional zur Resultierenden aller auf den Körper wirkenden Kräfte und umgekehrt proportional zur Masse des Körpers (). 3. Gesetz: Zwei materielle Punkte interagieren miteinander durch Kräfte gleicher Art gleicher Größe und entgegengesetzter Richtung entlang der geraden Linie, die diese Punkte verbindet ().
RELATIVITÄTSPRINZIP – eines der Postulate der Relativitätstheorie, das besagt, dass in jedem Trägheitsbezugssystem alle physikalischen (mechanischen, elektromagnetischen usw.) Phänomene unter denselben Bedingungen auf die gleiche Weise ablaufen. Es ist eine Verallgemeinerung des Relativitätsprinzips von Galileo auf alle physikalischen Phänomene (außer der Schwerkraft).
2. Molekulare Physik und Thermodynamik
Das AVOGADRO-GESETZ ist eines der Grundgesetze idealer Gase: Gleiche Volumina verschiedener Gase enthalten bei gleicher Temperatur und gleichem Druck die gleiche Anzahl an Molekülen. 1811 in Italien eröffnet. Physiker A. Avogadro (1776-1856).
BOYLE-MARIOTTE-GESETZ – eines der Gesetze eines idealen Gases: Für eine gegebene Masse eines gegebenen Gases bei konstanter Temperatur ist das Produkt aus Druck und Volumen ein konstanter Wert. Formel: pV=konst. Beschreibt einen isothermen Prozess.
DAS ZWEITE GESETZ DER THERMODYNAMIK ist eines der Grundgesetze der Thermodynamik, nach dem ein periodischer Prozess unmöglich ist, dessen einziges Ergebnis die Leistung von Arbeit ist, die der vom Heizgerät aufgenommenen Wärmemenge entspricht. Eine andere Formulierung: Ein Prozess ist unmöglich, dessen einziges Ergebnis die Übertragung von Energie in Form von Wärme von einem weniger erhitzten Körper auf einen stärker erhitzten Körper ist. V.Z.T. drückt den Wunsch eines Systems aus, das aus einer großen Anzahl chaotisch bewegter Teilchen besteht, spontan von weniger wahrscheinlichen Zuständen in wahrscheinlichere Zustände überzugehen. Verbietet die Schaffung eines Perpetuum Mobile zweiter Art.
GAY-LUSSAC-GESETZ – Gasgesetz: Für eine gegebene Masse eines gegebenen Gases bei konstantem Druck ist das Verhältnis von Volumen zur absoluten Temperatur ein konstanter Wert, wobei = 1/273 K-1 der Temperaturkoeffizient der Volumenausdehnung ist.
Das Daltonsche Gesetz ist eines der grundlegenden Gasgesetze: Der Druck einer Mischung chemisch nicht wechselwirkender idealer Gase ist gleich der Summe der Partialdrücke dieser Gase.
Das Pascalsche Gesetz ist das Grundgesetz der Hydrostatik: Der durch äußere Kräfte auf der Oberfläche einer Flüssigkeit oder eines Gases erzeugte Druck wird in alle Richtungen gleichmäßig übertragen.
DAS ERSTE GESETZ DER THERMODYNAMIK ist eines der Grundgesetze der Thermodynamik, nämlich das Energieerhaltungsgesetz für ein thermodynamisches System: Die dem System zugeführte Wärmemenge Q wird für die Änderung der inneren Energie des Systems U und die Verrichtung von Arbeit aufgewendet A durch das System gegen äußere Kräfte. Formel: Q= U+A. Es liegt dem Betrieb von Wärmekraftmaschinen zugrunde.
Das Charles-Gesetz ist eines der grundlegenden Gasgesetze: Der Druck einer gegebenen Masse idealen Gases in einem konstanten Volumen ist direkt proportional zur Temperatur: wobei p0 der Druck bei 0 °C ist, =1/273,15 K-1 der Temperaturkoeffizient von Druck.
3. ELEKTRIZITÄT UND MAGNETISMUS
AMPERE-GESETZ – das Gesetz der Wechselwirkung zweier Leiter mit Strömen; Parallele Leiter mit Strömen in die gleiche Richtung ziehen sich an, parallele Leiter mit Strömen in die entgegengesetzte Richtung stoßen sich ab. A.z. Auch Gesetz genannt, das die Kraft bestimmt, die in einem Magnetfeld auf einen kleinen Abschnitt eines stromdurchflossenen Leiters wirkt. 1820 eröffnet BIN. Ampere.
JOULE-LENZ-GESETZ – ein Gesetz, das die thermische Wirkung von elektrischem Strom beschreibt. Laut D. - L.z. Die Wärmemenge, die in einem Leiter freigesetzt wird, wenn ein Gleichstrom durch ihn fließt, ist direkt proportional zum Quadrat des Stroms, dem Widerstand des Leiters und der Laufzeit.
Das Ladungserhaltungsgesetz ist eines der Grundgesetze der Natur: Die algebraische Summe der elektrischen Ladungen eines elektrisch isolierten Systems bleibt unverändert. In einem elektrisch isolierten System Z.s.z. ermöglicht das Auftreten neuer geladener Teilchen (z. B. bei elektrolytischer Dissoziation, Ionisierung von Gasen, Bildung von Teilchen-Antiteilchen-Paaren usw.), aber die gesamte elektrische Ladung der erscheinenden Teilchen muss immer gleich Null sein.
COULLOMBS GESETZ ist das Grundgesetz der Elektrostatik und drückt die Abhängigkeit der Wechselwirkungskraft zwischen zwei stationären Punktladungen vom Abstand zwischen ihnen aus: Zwei stationäre Punktladungen interagieren mit einer Kraft, die direkt proportional zum Produkt der Größen dieser Ladungen und umgekehrt proportional ist zum Quadrat des Abstands zwischen ihnen und der Dielektrizitätskonstante des Mediums, in dem sich die Ladungen befinden. In SI hat es die Form: . Der Wert entspricht numerisch der Kraft, die zwischen zwei stationären Punktladungen von jeweils 1 C wirkt, die sich im Vakuum in einem Abstand von 1 m voneinander befinden. K.z. ist eine der experimentellen Begründungen der Elektrodynamik.
REGEL DER LINKEN HAND – eine Regel, die die Richtung der Kraft bestimmt, die auf einen stromdurchflossenen Leiter (oder ein sich bewegendes geladenes Teilchen) in einem Magnetfeld wirkt. Es heißt: Wenn die linke Hand so positioniert ist, dass die ausgestreckten Finger die Richtung des Stroms (Teilchengeschwindigkeit) anzeigen und die magnetischen Feldlinien (magnetische Induktionslinien) in die Handfläche eindringen, dann zeigt der ausgestreckte Daumen die Richtung der Kraft an auf den Leiter wirken (positives Teilchen; bei einem negativen Teilchen ist die Richtung der Kraft entgegengesetzt).
LENZA-REGEL (GESETZ) – eine Regel, die die Richtung von Induktionsströmen bestimmt, die bei der elektromagnetischen Induktion entstehen. Laut L.p. Der induzierte Strom hat immer eine solche Richtung, dass sein eigener magnetischer Fluss die Änderungen des externen magnetischen Flusses, der diesen Strom verursacht hat, ausgleicht. L.p. - eine Folge des Energieerhaltungssatzes.
Das OMA-Gesetz ist eines der Grundgesetze des elektrischen Stroms: Die Stärke des elektrischen Gleichstroms in einem Abschnitt eines Stromkreises ist direkt proportional zur Spannung an den Enden dieses Abschnitts und umgekehrt proportional zu seinem Widerstand. Gültig für metallische Leiter und Elektrolyte, deren Temperatur konstant gehalten wird. Im Falle eines vollständigen Stromkreises wird er wie folgt formuliert: Die Stärke eines elektrischen Gleichstroms im Stromkreis ist direkt proportional zur EMK der Stromquelle und umgekehrt proportional zum Gesamtwiderstand des Stromkreises.
RECHTE HANDREGEL – eine Regel, die 1) die Richtung des Induktionsstroms in einem Leiter bestimmt, der sich in einem Magnetfeld bewegt: wenn die Handfläche der rechten Hand so positioniert ist, dass die magnetischen Induktionslinien in sie eindringen und der gebogene Daumen entlang gerichtet ist die Bewegung
Leiter, dann zeigen vier ausgestreckte Finger die Richtung des Induktionsstroms an; 2) die Richtung der magnetischen Induktionslinien eines geraden Leiters mit Strom: Wenn der Daumen der rechten Hand in Richtung des Stroms positioniert ist, zeigt die Richtung des Ergreifens des Leiters mit vier Fingern die Richtung der magnetischen Induktion an Linien.
FARADAYS GESETZE – die Grundgesetze der Elektrolyse. Das erste Gesetz von Faraday: Die Masse einer Substanz, die beim Durchgang eines elektrischen Stroms an der Elektrode freigesetzt wird, ist direkt proportional zur Menge an Elektrizität (Ladung), die durch den Elektrolyten fließt (m=kq=kIt). Zweiter F.Z.: Das Verhältnis der Massen verschiedener Stoffe, die an den Elektroden chemische Umwandlungen durchlaufen, wenn identische elektrische Ladungen durch den Elektrolyten fließen, ist gleich dem Verhältnis der chemischen Äquivalente. 1833-34 von M. Faraday installiert. Das verallgemeinerte Gesetz der Elektrolyse hat die Form: , wobei M die Molmasse (Atommasse), z die Wertigkeit und F die Faraday-Konstante ist. F.p. ist gleich dem Produkt aus der elektrischen Elementarladung und der Avogadro-Konstante. F=e.NA. Bestimmt die Ladung, deren Durchgang durch den Elektrolyten zur Freisetzung von 1 Mol einer einwertigen Substanz an der Elektrode führt. F=(96484,56 0,27) Zelle/mol. Benannt zu Ehren von M. Faraday.
ELEKTROMAGNETISCHES INDUKTIONSGESETZ – ein Gesetz, das das Phänomen des Auftretens eines elektrischen Feldes beschreibt, wenn sich ein Magnetfeld ändert (das Phänomen der elektromagnetischen Induktion): Die elektromotorische Kraft der Induktion ist direkt proportional zur Änderungsrate des magnetischen Flusses. Der Proportionalitätskoeffizient wird durch das Einheitensystem bestimmt, das Vorzeichen ist die Lenzsche Regel. Formel in SI: , wobei Ф die Änderung des magnetischen Flusses und t der Zeitraum ist, in dem diese Änderung auftrat. Entdeckt von M. Faraday.
4. OPTIK
HUYGENS PRINZIP ist eine Methode, die es ermöglicht, jederzeit die Position der Wellenfront zu bestimmen. Laut G.P. Alle Punkte, durch die die Wellenfront zum Zeitpunkt t verläuft, sind Quellen sekundärer Kugelwellen, und die gewünschte Position der Wellenfront zum Zeitpunkt t t stimmt mit der Oberfläche überein, die alle Sekundärwellen umhüllt. Ermöglicht Ihnen, die Gesetze der Reflexion und Brechung von Licht zu erklären.
HUYGENS - FRESNEL - PRINZIP - eine ungefähre Methode zur Lösung von Problemen der Wellenausbreitung. G.-F. S. besagt: An jedem Punkt außerhalb einer beliebigen geschlossenen Oberfläche, die eine Punktlichtquelle bedeckt, kann die von dieser Quelle angeregte Lichtwelle als Ergebnis der Interferenz von Sekundärwellen dargestellt werden, die von allen Punkten der angegebenen geschlossenen Oberfläche emittiert werden. Ermöglicht die Lösung der einfachsten Probleme der Lichtbeugung.
GESETZ DER WELLENREFLEXION – der einfallende Strahl, der reflektierte Strahl und die Senkrechte, die auf den Einfallspunkt des Strahls zurückgeführt wird, liegen in derselben Ebene und der Einfallswinkel ist gleich dem Brechungswinkel. Das Gesetz gilt für die Spiegelreflexion.
LICHTBRECHUNG – eine Änderung der Ausbreitungsrichtung des Lichts (elektromagnetische Welle) beim Übergang von einem Medium in ein anderes, das sich vom ersten im Brechungsindex unterscheidet. Für die Brechung ist das Gesetz erfüllt: Der einfallende Strahl, der gebrochene Strahl und die zum Einfallspunkt des Strahls wiederhergestellte Senkrechte liegen in derselben Ebene, und für diese beiden Medien ist das Verhältnis des Sinus des Einfallswinkels zum Der Sinus des Brechungswinkels ist ein konstanter Wert, der als relativer Brechungsindex des zweiten Mediums relativ zum ersten bezeichnet wird.
Gesetz der geradlinigen Lichtausbreitung – ein Gesetz der geometrischen Optik, das besagt, dass sich Licht in einem homogenen Medium geradlinig ausbreitet. Erklärt beispielsweise die Entstehung von Schatten und Halbschatten.
6. ATOM- UND KERNPHYSIK.
BOHR-POSULATE – Grundannahmen, die von N. Bohr ohne Beweis eingeführt wurden und die Grundlage der BOHR-THEORIE bilden: 1) Das Atomsystem ist nur in stationären Zuständen stabil, die einer diskreten Folge von Atomenergiewerten entsprechen. Jede Änderung dieser Energie ist mit einem vollständigen Übergang des Atoms von einem stationären Zustand in einen anderen verbunden. 2) Die Absorption und Emission von Energie durch ein Atom erfolgt nach dem Gesetz, nach dem die mit dem Übergang verbundene Strahlung monochromatisch ist und eine Frequenz hat: h = Ei-Ek, wobei h die Planck-Konstante ist und Ei und Ek sind die Energien des Atoms in stationären Zuständen
Helen Czerski
Physiker, Ozeanograph, Moderator populärwissenschaftlicher Sendungen bei der BBC.
Wenn es um Physik geht, stellen wir uns einige Formeln vor, etwas Seltsames und Unverständliches, das für einen gewöhnlichen Menschen unnötig ist. Wir haben vielleicht etwas über Quantenmechanik und Kosmologie gehört. Doch zwischen diesen beiden Polen liegt alles, was unser tägliches Leben ausmacht: Planeten und Sandwiches, Wolken und Vulkane, Blasen und Musikinstrumente. Und sie alle unterliegen einer relativ kleinen Anzahl physikalischer Gesetze.
Wir können diese Gesetze ständig in Aktion beobachten. Nehmen Sie zum Beispiel zwei Eier – roh und gekocht – und drehen Sie sie und hören Sie dann auf. Das gekochte Ei bleibt bewegungslos, das rohe beginnt sich wieder zu drehen. Dies liegt daran, dass Sie nur die Hülle angehalten haben, die Flüssigkeit im Inneren jedoch weiter rotiert.
Dies ist ein klarer Beweis für den Drehimpulserhaltungssatz. Vereinfacht lässt es sich wie folgt formulieren: Nachdem das System begonnen hat, sich um eine konstante Achse zu drehen, dreht es sich weiter, bis es durch etwas gestoppt wird. Dies ist eines der Grundgesetze des Universums.
Es ist nicht nur dann praktisch, wenn Sie ein gekochtes Ei von einem rohen unterscheiden müssen. Damit lässt sich auch erklären, wie das Hubble-Weltraumteleskop ohne jegliche Unterstützung im Weltraum seine Linse auf einen bestimmten Bereich des Himmels richtet. Es enthält lediglich rotierende Gyroskope, die sich im Wesentlichen wie ein rohes Ei verhalten. Das Teleskop selbst dreht sich um sie und verändert dadurch seine Position. Es stellt sich heraus, dass das Gesetz, das wir in unserer Küche testen können, auch die Struktur einer der herausragendsten Technologien der Menschheit erklärt.
Wenn wir die Grundgesetze kennen, die unser tägliches Leben bestimmen, fühlen wir uns nicht mehr hilflos.
Um zu verstehen, wie die Welt um uns herum funktioniert, müssen wir zunächst ihre Grundlagen verstehen. Wir müssen verstehen, dass es in der Physik nicht nur um exzentrische Wissenschaftler in Laboren oder komplexe Formeln geht. Es liegt direkt vor uns und ist für jeden zugänglich.
Wo soll man anfangen, könnte man meinen. Sicher ist Ihnen etwas Seltsames oder Unverständliches aufgefallen, aber anstatt darüber nachzudenken, haben Sie sich gesagt, dass Sie ein Erwachsener sind und keine Zeit dafür haben. Chersky rät, solche Dinge nicht beiseite zu schieben, sondern damit anzufangen.
Wenn Sie nicht warten möchten, bis etwas Interessantes passiert, geben Sie Rosinen in Limonade und sehen Sie, was passiert. Beobachten Sie, wie der verschüttete Kaffee austrocknet. Klopfen Sie mit einem Löffel auf den Rand der Tasse und hören Sie auf das Geräusch. Versuchen Sie abschließend, das Sandwich fallen zu lassen, ohne dass es mit der Vorderseite nach unten fällt.
Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik
Nach diesem Gesetz ist ein Prozess, dessen einziges Ergebnis die Übertragung von Energie in Form von Wärme von einem kälteren Körper auf einen heißeren Körper ist, ohne Veränderungen im System selbst und in der Umgebung unmöglich. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik drückt die Tendenz eines Systems aus einer großen Anzahl chaotisch bewegter Teilchen aus, spontan von weniger wahrscheinlichen Zuständen in wahrscheinlichere Zustände überzugehen. Verbietet die Schaffung eines Perpetuum Mobile zweiter Art.
Avogardos Gesetz
Gleiche Volumina idealer Gase enthalten bei gleicher Temperatur und gleichem Druck die gleiche Anzahl an Molekülen. Das Gesetz wurde 1811 vom italienischen Physiker A. Avogadro (1776–1856) entdeckt.
Amperesches Gesetz
Das Gesetz der Wechselwirkung zwischen zwei Strömen, die in Leitern fließen, die in geringem Abstand voneinander liegen, besagt: Parallele Leiter mit Strömen in der gleichen Richtung ziehen sich an, und mit Strömen in der entgegengesetzten Richtung stoßen sie sich ab. Das Gesetz wurde 1820 von A. M. Ampere entdeckt.
Das Gesetz des Archimedes
Das Gesetz der Hydro- und Aerostatik: Auf einen Körper, der in eine Flüssigkeit oder ein Gas eingetaucht ist, wirkt eine senkrecht nach oben gerichtete Auftriebskraft, die dem Gewicht der vom Körper verdrängten Flüssigkeit oder des Gases entspricht und im Schwerpunkt des Körpers wirkt eingetauchter Körperteil. FA = gV, wobei g die Dichte der Flüssigkeit oder des Gases und V das Volumen des eingetauchten Körperteils ist. Ansonsten lässt sich das Gesetz wie folgt formulieren: Ein in eine Flüssigkeit oder ein Gas eingetauchter Körper verliert so viel Gewicht, wie die Flüssigkeit (oder das Gas), die er verdrängt, wiegt. Dann ist P = mg – FA. Das Gesetz wurde 212 v. Chr. vom antiken griechischen Wissenschaftler Archimedes entdeckt. e. Es ist die Grundlage der Theorie der schwimmenden Körper.
Gesetz der Schwerkraft
Das Gesetz der universellen Gravitation oder Newtons Gravitationsgesetz: Alle Körper ziehen sich gegenseitig mit einer Kraft an, die direkt proportional zum Produkt der Massen dieser Körper und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands zwischen ihnen ist.
Boyle-Mariotte-Gesetz
Eines der Gesetze eines idealen Gases: Bei konstanter Temperatur ist das Produkt aus Gasdruck und Volumen ein konstanter Wert. Formel: pV = konst. Beschreibt einen isothermen Prozess.
Hookes Gesetz
Nach diesem Gesetz sind elastische Verformungen eines Festkörpers direkt proportional zu den äußeren Einflüssen, die sie verursachen.
Daltons Gesetz
Eines der grundlegenden Gasgesetze: Der Druck einer Mischung chemisch nicht wechselwirkender idealer Gase ist gleich der Summe der Partialdrücke dieser Gase. 1801 von J. Dalton entdeckt.
Joule-Lenz-Gesetz
Beschreibt die thermische Wirkung von elektrischem Strom: Die Wärmemenge, die in einem Leiter freigesetzt wird, wenn ein Gleichstrom durch ihn fließt, ist direkt proportional zum Quadrat des Stroms, dem Widerstand des Leiters und der Durchgangszeit. Im 19. Jahrhundert von Joule und Lenz unabhängig voneinander entdeckt.
Coulomb-Gesetz
Das Grundgesetz der Elektrostatik drückt die Abhängigkeit der Wechselwirkungskraft zwischen zwei stationären Punktladungen vom Abstand zwischen ihnen aus: Zwei stationäre Punktladungen interagieren mit einer Kraft, die direkt proportional zum Produkt der Größen dieser Ladungen und umgekehrt proportional zum Quadrat ist vom Abstand zwischen ihnen und der Dielektrizitätskonstante des Mediums, in dem sich die Ladungen befinden. Der Wert entspricht numerisch der Kraft, die zwischen zwei stationären Punktladungen von 1 C wirkt, die sich jeweils im Vakuum in einem Abstand von 1 m voneinander befinden. Das Coulombsche Gesetz ist eine der experimentellen Begründungen der Elektrodynamik. 1785 eröffnet.
Lenzsches Gesetz
Nach diesem Gesetz hat der induzierte Strom immer eine solche Richtung, dass sein eigener magnetischer Fluss die Änderungen des externen magnetischen Flusses, die diesen Strom verursacht haben, ausgleicht. Das Lenzsche Gesetz ist eine Folge des Energieerhaltungssatzes. 1833 von E. H. Lenz installiert.
Ohm'sches Gesetz
Eines der Grundgesetze des elektrischen Stroms: Die Stärke des elektrischen Gleichstroms in einem Abschnitt eines Stromkreises ist direkt proportional zur Spannung an den Enden dieses Abschnitts und umgekehrt proportional zu seinem Widerstand. Gültig für metallische Leiter und Elektrolyte, deren Temperatur konstant gehalten wird. Im Falle eines vollständigen Stromkreises wird er wie folgt formuliert: Die Stärke eines elektrischen Gleichstroms im Stromkreis ist direkt proportional zur EMK der Stromquelle und umgekehrt proportional zum Gesamtwiderstand des Stromkreises. 1826 von G.S. Ohm entdeckt.
Gesetz der Wellenreflexion
Der einfallende Strahl, der reflektierte Strahl und die Senkrechte zum Einfallspunkt des Strahls liegen in derselben Ebene, und der Einfallswinkel ist gleich dem Brechungswinkel. Das Gesetz gilt für die Spiegelreflexion.
Pascals Gesetz
Das Grundgesetz der Hydrostatik: Der durch äußere Kräfte auf die Oberfläche einer Flüssigkeit oder eines Gases erzeugte Druck wird in alle Richtungen gleichmäßig übertragen.
Gesetz der Lichtbrechung
Der einfallende Strahl, der gebrochene Strahl und die zum Einfallspunkt des Strahls wiederhergestellte Senkrechte liegen in derselben Ebene, und für diese beiden Medien beträgt das Verhältnis des Sinus des Einfallswinkels zum Sinus des Brechungswinkels a konstanter Wert, genannt relativer Brechungsindex des zweiten Mediums relativ zum ersten.
Gesetz der geradlinigen Ausbreitung von Licht
Das Gesetz der geometrischen Optik besagt, dass sich Licht in einem homogenen Medium geradlinig ausbreitet. Erklärt beispielsweise die Entstehung von Schatten und Halbschatten.
Gesetz der Ladungserhaltung
Eines der Grundgesetze der Natur: Die algebraische Summe der elektrischen Ladungen eines elektrisch isolierten Systems bleibt unverändert. In einem elektrisch isolierten System ermöglicht das Ladungserhaltungsgesetz das Auftreten neuer geladener Teilchen, aber die gesamte elektrische Ladung der entstehenden Teilchen muss immer gleich Null sein.
Gesetz der Impulserhaltung
Eines der Grundgesetze der Mechanik: Der Impuls eines geschlossenen Systems bleibt während aller im System ablaufenden Prozesse konstant (erhalten) und kann nur durch ihre Wechselwirkung zwischen Teilen des Systems umverteilt werden.
Charles' Gesetz
Eines der grundlegenden Gasgesetze: Der Druck einer gegebenen Masse eines idealen Gases bei konstantem Volumen ist direkt proportional zur Temperatur.
Gesetz der elektromagnetischen Induktion
Beschreibt das Phänomen des Auftretens eines elektrischen Feldes, wenn sich ein Magnetfeld ändert (das Phänomen der elektromagnetischen Induktion): Die elektromotorische Kraft der Induktion ist direkt proportional zur Änderungsrate des magnetischen Flusses. Der Proportionalitätskoeffizient wird durch das Einheitensystem bestimmt, das Vorzeichen durch die Lenzsche Regel. Das Gesetz wurde von M. Faraday entdeckt.
Gesetz der Energieerhaltung und -umwandlung
Allgemeines Naturgesetz: Die Energie eines geschlossenen Systems bleibt während aller im System ablaufenden Prozesse konstant (konserviert). Energie kann nur von einer Form in eine andere umgewandelt und zwischen Teilen des Systems umverteilt werden. Bei einem offenen System ist eine Zunahme (Abnahme) seiner Energie gleich einer Abnahme (Zunahme) der Energie der mit ihm interagierenden Körper und physikalischen Felder.
Newtons Gesetze
Die klassische Mechanik basiert auf den 3 Newtonschen Gesetzen. Newtons erstes Gesetz (Trägheitsgesetz): Ein materieller Punkt befindet sich in einem Zustand geradliniger und gleichmäßiger Bewegung oder Ruhe, wenn keine anderen Körper auf ihn einwirken oder die Wirkung dieser Körper kompensiert wird. Zweites Newtonsches Gesetz (Grundgesetz der Dynamik): Die von einem Körper aufgenommene Beschleunigung ist direkt proportional zur Resultierenden aller auf den Körper wirkenden Kräfte und umgekehrt proportional zur Masse des Körpers. Newtons drittes Gesetz: Die Wirkungen zweier Körper sind immer gleich groß und in entgegengesetzte Richtungen gerichtet.
Faradaysche Gesetze
Das erste Gesetz von Faraday: Die Masse einer Substanz, die beim Durchgang eines elektrischen Stroms an der Elektrode freigesetzt wird, ist direkt proportional zur Strommenge (Ladung), die durch den Elektrolyten fließt (m = kq = kIt). Das zweite Gesetz von Faraday: Das Verhältnis der Massen verschiedener Substanzen, die an den Elektroden chemische Umwandlungen durchlaufen, wenn identische elektrische Ladungen durch den Elektrolyten fließen, ist gleich dem Verhältnis der chemischen Äquivalente. Die Gesetze wurden 1833–1834 von M. Faraday erlassen.
Erster Hauptsatz der Thermodynamik
Der erste Hauptsatz der Thermodynamik ist der Energieerhaltungssatz für ein thermodynamisches System: Die dem System zugeführte Wärmemenge Q wird für die Änderung der inneren Energie des Systems U und die Verrichtung der Arbeit A durch das System gegen äußere Kräfte aufgewendet. Die Formel Q = U + A liegt dem Betrieb von Wärmekraftmaschinen zugrunde.
Bohrs Postulate
Bohrs erstes Postulat: Ein Atomsystem ist nur in stationären Zuständen stabil, die einer diskreten Folge von Atomenergiewerten entsprechen. Jede Änderung dieser Energie ist mit einem vollständigen Übergang des Atoms von einem stationären Zustand in einen anderen verbunden. Bohrs zweites Postulat: Die Absorption und Emission von Energie durch ein Atom erfolgt nach dem Gesetz, nach dem die mit dem Übergang verbundene Strahlung monochromatisch ist und eine Frequenz hat: h = Ei – Ek, wobei h die Plancksche Konstante ist und Ei und Ek sind die Energien des Atoms in stationären Zuständen.
Regel der linken Hand
Bestimmt die Richtung der Kraft, die auf einen stromdurchflossenen Leiter (oder ein sich bewegendes geladenes Teilchen) in einem Magnetfeld wirkt. Die Regel besagt: Wenn die linke Hand so positioniert ist, dass die ausgestreckten Finger die Richtung des Stroms (Teilchengeschwindigkeit) anzeigen und die magnetischen Feldlinien (magnetische Induktionslinien) in die Handfläche eindringen, dann zeigt der ausgestreckte Daumen die Richtung an auf den Leiter wirkende Kraft (positives Teilchen; bei einem negativen Teilchen ist die Richtung der Kraft entgegengesetzt).
Regel der rechten Hand
Bestimmt die Richtung des Induktionsstroms in einem Leiter, der sich in einem Magnetfeld bewegt: Wenn die Handfläche der rechten Hand so positioniert ist, dass die magnetischen Induktionslinien in sie eindringen, und der gebogene Daumen entlang der Bewegung des Leiters gerichtet ist, dann die vier Ausgestreckte Finger zeigen die Richtung des Induktionsstroms an.
Huygens-Prinzip
Ermöglicht jederzeit die Bestimmung der Position der Wellenfront. Nach dem Huygens-Prinzip sind alle Punkte, durch die die Wellenfront zum Zeitpunkt t verläuft, Quellen sekundärer Kugelwellen, und die gewünschte Position der Wellenfront zum Zeitpunkt t stimmt mit der Oberfläche überein, die alle Sekundärwellen umhüllt. Das Huygenssche Prinzip erklärt die Gesetze der Reflexion und Brechung von Licht.
Huygens-Fresnel-Prinzip
Nach diesem Prinzip kann die von dieser Quelle angeregte Lichtwelle an jedem Punkt außerhalb einer beliebigen geschlossenen Oberfläche, die eine Punktlichtquelle bedeckt, als Ergebnis der Interferenz von Sekundärwellen dargestellt werden, die von allen Punkten der angegebenen geschlossenen Oberfläche emittiert werden. Mit dem Prinzip können Sie die einfachsten Probleme der Lichtbeugung lösen.
Das Relativitätsprinzip
In allen Trägheitsbezugssystemen laufen alle physikalischen (mechanischen, elektromagnetischen usw.) Phänomene unter denselben Bedingungen auf die gleiche Weise ab. Es ist eine Verallgemeinerung des Relativitätsprinzips von Galileo.
Galileis Relativitätsprinzip
Das mechanische Relativitätsprinzip oder das Prinzip der klassischen Mechanik: In jedem Inertialbezugssystem laufen alle mechanischen Phänomene unter denselben Bedingungen auf die gleiche Weise ab.
Klang
Als Schall werden elastische Wellen bezeichnet, die sich in Flüssigkeiten, Gasen und Feststoffen ausbreiten und vom Ohr von Menschen und Tieren wahrgenommen werden. Der Mensch hat die Fähigkeit, Töne mit Frequenzen im Bereich von 16–20 kHz zu hören. Schall mit Frequenzen bis 16 Hz wird üblicherweise als Infraschall bezeichnet; mit Frequenzen von 2·104–109 Hz – Ultraschall und mit Frequenzen von 109–1013 Hz – Hyperschall. Die Wissenschaft, die Geräusche untersucht, wird „Akustik“ genannt.
Licht
Unter Licht im engeren Sinne versteht man elektromagnetische Wellen im vom menschlichen Auge wahrnehmbaren Frequenzbereich: 7,5‘1014–4,3‘1014 Hz. Die Wellenlängen reichen von 760 nm (rotes Licht) bis 380 nm (violettes Licht).
Ein physikalisches Gesetz ist eine quantitative oder qualitative objektive Abhängigkeit einiger physikalischer Größen von anderen, die experimentell gefunden und durch Verallgemeinerung experimenteller Daten festgestellt wird.
Kontinuumsmodell
Ein Modell, nach dem in der Physik Materie als ein kontinuierlich im Raum verteiltes Medium betrachtet wird, das weder Hohlräume noch Diskontinuitäten aufweist und die physikalischen Eigenschaften realer Materie (fester Körper, Tröpfchenflüssigkeit, Gas, Plasma) besitzt.
Die Verwendung eines Kontinuumsmodells ermöglicht die Nutzung des mathematischen Apparats der Differential- und Integralrechnung.
Temperatur
Die Temperatur ist eine skalare physikalische Größe, die den thermischen Zustand des Systems charakterisiert. Gemäß der molekularkinetischen Theorie hängt die Temperatur mit der Intensität der Bewegung mikrostruktureller Materieteilchen zusammen. Der Zahlenwert der Temperatur stellt dar ist die Größe der Abweichung des thermischen Zustands eines Körpers vom thermischen Gleichgewicht mit einem anderen Körper, dessen Zustand als Bezugspunkt genommen wird.
Der Maßstab für die Temperaturmessung wird durch den gewählten Startpunkt bestimmt. Derzeit sieht das SI-Einheitensystem die Verwendung von zwei Temperaturskalen vor: thermodynamisch (absolute Skala) und internationales Recht k t h e s k u (MPSHT). Auf der ersten Skala wird üblicherweise die absolute Nulltemperatur als Ausgangspunkt angenommen. Die Maßeinheit der thermodynamischen Temperatur ist Kelvin, Bezeichnung: T.
Auf der zweiten Skala wird als Ausgangspunkt der Zustand gewählt, der dem Schmelzen von Eis in Wasser entspricht, dieser liegt bei 273,15 K. Die Temperatur auf dieser Skala wird in Grad Celsius (0 C) ausgedrückt und bezeichnet T. Grad (Temperatur) ist die allgemeine Bezeichnung für verschiedene Temperatureinheiten, die unterschiedlichen Temperaturskalen entsprechen, 1K = 1 0 C.
Die Beziehung zwischen Temperaturen auf etablierten Skalen hat die Form:
T =T + 273,15.
Eine Reihe von Ländern verwenden immer noch eine nicht systemische Skala, die in Grad Fahrenheit (0) ausgedrückt wird F). Die Umrechnung der Temperatur von der Fahrenheit-Skala in die Celsius-Skala erfolgt mit dem Ausdruck
T = (T F – 32).
Druck
Druck ist eine physikalische Größe, die den Spannungszustand kontinuierlicher Medien charakterisiert; numerisch ist er die Intensität der Normalkräfte, mit denen ein Körper auf die Oberfläche eines anderen einwirkt.
Druck wird angezeigt P, seine SI-Einheit ist Pascal (Pa).
Ein Pascal in einem stationären Medium entspricht dem Druck, der durch eine Normalkraft von 1 N verursacht wird, die auf eine Oberfläche von 1 m2 wirkt (1 Pa = 1 N/m2). Folgende Einheiten können verwendet werden: Bar (1 bar = 1 5 Pa), technische Atmosphäre (1 atm = 1 kgf/cm 2 = 0,98110 5 Pa), physikalische Atmosphäre (1 atm = 1,0110 5 Pa), Millimeter Quecksilbersäule (1 mm Hg = 133,3 Pa), Millimeter Wassersäule (1 mm Wassersäule = 9,81 Pa).
Der vom Nullwert gemessene Druck im System wird als absolut bezeichnet und bezeichnet P Abs. Der absolute Atmosphärendruck wird barometrischer Druck genannt (P Bar. ). Ein Druck im System, der den Atmosphärendruck (barometrisch) übersteigt, wird als Überdruck bezeichnet ( R Hütte), und was auf der atmosphärischen Ebene fehlt, ist Abfluss ( R einmal ) oder Vakuumdruck (S verrückt ).
Einführung
1.Newtons Gesetze
1.1. Trägheitsgesetz (Newtons erstes Gesetz)
1.2 Bewegungsgesetz
1.3. Impulserhaltungssatz (Impulserhaltungssatz)
1.4. Trägheitskräfte
1.5. Gesetz der Viskosität
2.1. Gesetze der Thermodynamik
Gesetz der Schwerkraft
3.2. Gravitationswechselwirkung
3.3. Himmelsmechanik
Starke Gravitationsfelder
3.5. Moderne klassische Schwerkrafttheorien
Abschluss
Literatur
Einführung
Die Grundgesetze der Physik beschreiben die wichtigsten Phänomene in der Natur und im Universum. Sie ermöglichen es, viele Phänomene zu erklären und sogar vorherzusagen. So erkundet die Menschheit erfolgreich den Weltraum und schickt Raumschiffe zu anderen Planeten, indem sie sich ausschließlich auf die Grundgesetze der klassischen Physik (Newtons Gesetze, Gesetze der Thermodynamik usw.) verlässt.
In dieser Arbeit möchte ich die wichtigsten Gesetze der Physik und ihre Zusammenhänge betrachten. Die wichtigsten Gesetze der klassischen Mechanik sind die Newtonschen Gesetze, die ausreichen, um Phänomene im Makrokosmos zu beschreiben (ohne Berücksichtigung hoher Geschwindigkeits- oder Massenwerte, die in der GTR – Allgemeine Relativitätstheorie oder SRT – Spezielle Theorie untersucht werden). der Relativitätstheorie.)
Newtons Gesetze
Newtons Gesetze der Mechanik - drei Gesetze, die dem sogenannten zugrunde liegen. klassische Mechanik. Formuliert von I. Newton (1687). Erstes Gesetz: „Jeder Körper bleibt in seinem Ruhezustand oder in seiner gleichförmigen und geradlinigen Bewegung erhalten, bis er durch angewandte Kräfte gezwungen wird, diesen Zustand zu ändern.“ Zweiter Hauptsatz: „Die Impulsänderung ist proportional zur aufgebrachten Antriebskraft und erfolgt in Richtung der Geraden, entlang der diese Kraft wirkt.“ Drittes Gesetz: „Eine Aktion hat immer eine gleiche und entgegengesetzte Reaktion, andernfalls sind die Wechselwirkungen zweier Körper aufeinander gleich und in entgegengesetzte Richtungen gerichtet.“
1.1. Zako ́ neun ́ Rationen (Erstes Gesetz von New ́ Töne) : Ein freier Körper, auf den keine Kräfte anderer Körper einwirken, befindet sich in einem Ruhezustand oder einer gleichmäßigen linearen Bewegung (der Geschwindigkeitsbegriff wird hier bei nicht translatorischer Bewegung auf den Massenschwerpunkt des Körpers angewendet ). Mit anderen Worten, Körper zeichnen sich durch Trägheit aus (von lateinisch inertia – „Inaktivität“, „Trägheit“), also das Phänomen der Geschwindigkeitserhaltung, wenn äußere Einflüsse auf sie ausgeglichen werden.
Referenzsysteme, in denen das Trägheitsgesetz erfüllt ist, werden als Inertialreferenzsysteme (IRS) bezeichnet.
Das Trägheitsgesetz wurde erstmals von Galileo Galilei formuliert, der nach vielen Experimenten zu dem Schluss kam, dass für die Bewegung eines freien Körpers mit konstanter Geschwindigkeit keine äußere Ursache erforderlich ist. Zuvor war eine andere Sichtweise (die auf Aristoteles zurückgeht) allgemein anerkannt: Ein freier Körper ruht, und um sich mit konstanter Geschwindigkeit zu bewegen, muss eine konstante Kraft aufgebracht werden.
Newton formulierte daraufhin das Trägheitsgesetz als erstes seiner drei berühmten Gesetze.
Galileis Relativitätsprinzip: In allen Inertialsystemen laufen alle physikalischen Prozesse gleich ab. In einem Bezugssystem, das relativ zu einem Trägheitsbezugssystem in einen Ruhezustand oder eine gleichmäßige geradlinige Bewegung gebracht wird (konventionell „in Ruhe“), laufen alle Prozesse genauso ab wie in einem ruhenden System.
Es ist zu beachten, dass das Konzept eines Inertialreferenzsystems ein abstraktes Modell ist (ein bestimmtes ideales Objekt, das anstelle eines realen Objekts betrachtet wird. Beispiele für ein abstraktes Modell sind ein absolut starrer Körper oder ein schwereloser Faden), reale Referenzsysteme sind immer damit verbunden mit einem Objekt und die Übereinstimmung der tatsächlich beobachteten Bewegung von Körpern in solchen Systemen mit den Berechnungsergebnissen wird unvollständig sein.
1.2 Bewegungsgesetz – eine mathematische Formulierung, wie sich ein Körper bewegt oder wie eine allgemeinere Art von Bewegung abläuft.
In der klassischen Mechanik eines materiellen Punktes stellt das Bewegungsgesetz drei Abhängigkeiten von drei Raumkoordinaten von der Zeit oder die Abhängigkeit einer Vektorgröße (Radiusvektor) von der Zeit der Form dar
Das Bewegungsgesetz kann je nach Problem entweder aus den Differentialgesetzen der Mechanik oder aus den Integralgesetzen abgeleitet werden.
Gesetz der Energieeinsparung - das Grundgesetz der Natur, das besagt, dass die Energie eines geschlossenen Systems über die Zeit erhalten bleibt. Mit anderen Worten: Energie kann nicht aus dem Nichts entstehen und nicht in irgendetwas verschwinden; sie kann sich nur von einer Form in eine andere bewegen.
Der Energieerhaltungssatz findet sich in verschiedenen Bereichen der Physik und manifestiert sich in der Erhaltung verschiedener Energiearten. In der klassischen Mechanik manifestiert sich das Gesetz beispielsweise in der Erhaltung der mechanischen Energie (der Summe aus potentieller und kinetischer Energie). In der Thermodynamik wird der Energieerhaltungssatz als erster Hauptsatz der Thermodynamik bezeichnet und spricht neben der Wärmeenergie auch von der Energieerhaltung.
Da der Energieerhaltungssatz nicht für bestimmte Größen und Phänomene gilt, sondern ein allgemeines Muster widerspiegelt, das überall und immer gilt, ist es richtiger, ihn nicht als Gesetz, sondern als Energieerhaltungssatz zu bezeichnen.
Ein Sonderfall ist das Gesetz zur Erhaltung der mechanischen Energie – die mechanische Energie eines konservativen mechanischen Systems bleibt über die Zeit erhalten. Einfach ausgedrückt: Ohne Kräfte wie Reibung (dissipative Kräfte) entsteht mechanische Energie nicht aus dem Nichts und kann nirgendwo verschwinden.
Ek1+Ep1=Ek2+Ep2
Der Energieerhaltungssatz ist ein integrales Gesetz. Dies bedeutet, dass es aus der Wirkung von Differentialgesetzen besteht und eine Eigenschaft ihrer kombinierten Wirkung ist. Beispielsweise wird manchmal gesagt, dass die Unmöglichkeit, ein Perpetuum Mobile zu bauen, auf das Energieerhaltungsgesetz zurückzuführen sei. Aber das ist nicht so. Tatsächlich wird bei jedem Perpetuum Mobile-Projekt eines der Differentialgesetze ausgelöst, das den Motor funktionsunfähig macht. Der Energieerhaltungssatz verallgemeinert diese Tatsache lediglich.
Nach dem Noether-Theorem ist der Erhaltungssatz der mechanischen Energie eine Folge der Homogenität der Zeit.
1.3. Zako ́ n sicher ́ nia und ́ Impuls (Zako ́ n sicher ́ niya wenn ́ Bewegungsqualität) besagt, dass die Summe der Impulse aller Körper (oder Teilchen) eines geschlossenen Systems ein konstanter Wert ist.
Aus den Newtonschen Gesetzen kann gezeigt werden, dass bei Bewegungen im leeren Raum der Impuls zeitlich erhalten bleibt und bei Vorhandensein einer Wechselwirkung die Geschwindigkeit seiner Änderung durch die Summe der ausgeübten Kräfte bestimmt wird. In der klassischen Mechanik wird der Impulserhaltungssatz üblicherweise als Folge der Newtonschen Gesetze abgeleitet. Dieses Erhaltungsgesetz gilt jedoch auch in Fällen, in denen die Newtonsche Mechanik nicht anwendbar ist (relativistische Physik, Quantenmechanik).
Wie alle Erhaltungssätze beschreibt der Impulserhaltungssatz eine der grundlegenden Symmetrien – die Homogenität des Raumes
Newtons drittes Gesetz erklärt, was mit zwei interagierenden Körpern passiert. Nehmen wir als Beispiel ein geschlossenes System bestehend aus zwei Körpern. Der erste Körper kann mit einer bestimmten Kraft F12 auf den zweiten einwirken, und der zweite kann mit einer Kraft F21 auf den ersten einwirken. Wie vergleichen sich die Kräfte? Das dritte Newtonsche Gesetz besagt: Die Aktionskraft ist gleich groß und hat die entgegengesetzte Richtung wie die Reaktionskraft. Wir möchten betonen, dass diese Kräfte auf verschiedene Körper wirken und daher überhaupt nicht kompensiert werden.
Das Gesetz selbst:
Körper wirken aufeinander mit Kräften ein, die entlang derselben Geraden gerichtet, gleich groß und entgegengesetzt gerichtet sind: .
1.4. Trägheitskräfte
Newtons Gesetze gelten streng genommen nur in Inertialsystemen. Wenn wir die Bewegungsgleichung eines Körpers in einem nicht-inertialen Bezugssystem ehrlich aufschreiben, dann wird sie sich optisch vom zweiten Newtonschen Gesetz unterscheiden. Um die Betrachtung zu vereinfachen, wird jedoch häufig eine bestimmte fiktive „Trägheitskraft“ eingeführt und dann werden diese Bewegungsgleichungen in einer Form umgeschrieben, die dem zweiten Newtonschen Gesetz sehr ähnlich ist. Mathematisch ist hier alles richtig (richtig), aber aus physikalischer Sicht kann die neue fiktive Kraft nicht als etwas Reales, als Ergebnis einer realen Interaktion betrachtet werden. Lassen Sie uns noch einmal betonen: „Trägheitskraft“ ist nur eine praktische Parametrisierung dafür, wie sich die Bewegungsgesetze in trägen und nicht trägen Bezugssystemen unterscheiden.
1.5. Gesetz der Viskosität
Das Newtonsche Gesetz der Viskosität (innere Reibung) ist ein mathematischer Ausdruck, der die innere Reibungsspannung τ (Viskosität) und die Änderung der Geschwindigkeit des Mediums v im Raum in Beziehung setzt
(Dehnungsrate) für Fluidkörper (Flüssigkeiten und Gase):
wobei der Wert η als innerer Reibungskoeffizient oder dynamischer Viskositätskoeffizient (CGS-Einheit - Poise) bezeichnet wird. Der kinematische Viskositätskoeffizient ist der Wert μ = η / ρ (CGS-Einheit ist Stokes, ρ ist die Dichte des Mediums).
Das Newtonsche Gesetz lässt sich analytisch mit Methoden der physikalischen Kinetik ermitteln, wobei die Viskosität üblicherweise gleichzeitig mit der Wärmeleitfähigkeit und dem entsprechenden Fourier-Gesetz für die Wärmeleitfähigkeit berücksichtigt wird. In der kinetischen Gastheorie wird der innere Reibungskoeffizient nach der Formel berechnet
Dabei ist die durchschnittliche Geschwindigkeit der thermischen Bewegung von Molekülen und λ die durchschnittliche freie Weglänge.
2.1. Gesetze der Thermodynamik
Die Thermodynamik basiert auf drei Gesetzen, die auf der Grundlage experimenteller Daten formuliert werden und daher als Postulate akzeptiert werden können.
* 1. Hauptsatz der Thermodynamik. Es handelt sich um eine Formulierung des verallgemeinerten Energieerhaltungssatzes für thermodynamische Prozesse. In seiner einfachsten Form kann es als δQ = δA + d"U geschrieben werden, wobei dU das Gesamtdifferential der inneren Energie des Systems ist und δQ und δA die elementare Wärmemenge und die am System geleistete elementare Arbeit sind , bzw. Es muss berücksichtigt werden, dass δA und δQ nicht als Differentiale im üblichen Sinne dieses Konzepts betrachtet werden können. Aus der Sicht der Quantenkonzepte kann dieses Gesetz wie folgt interpretiert werden: dU ist die Änderung der Energie von eines gegebenen Quantensystems, δA ist die Änderung der Energie des Systems aufgrund der Änderung der Besetzung der Energieniveaus des Systems und δQ ist die Änderung der Energie des Quantensystems aufgrund von Änderungen in der Energiestruktur Ebenen.
* 2. Hauptsatz der Thermodynamik: Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik schließt die Möglichkeit aus, ein Perpetuum mobile zweiter Art zu schaffen. Es gibt mehrere unterschiedliche, aber zugleich gleichwertige Formulierungen dieses Gesetzes. 1 - Clausius' Postulat. Ein Prozess, bei dem außer der Übertragung von Wärme von einem heißen Körper auf einen kalten Körper keine andere Veränderung stattfindet, ist irreversibel, d. Dieses Phänomen wird Energiedissipation oder -dispersion genannt. 2 - Kelvins Postulat. Der Prozess, bei dem Arbeit in Wärme umgewandelt wird, ohne dass weitere Änderungen im System vorgenommen werden, ist irreversibel, das heißt, es ist unmöglich, die gesamte Wärme, die einer Quelle mit gleichmäßiger Temperatur entnommen wird, in Arbeit umzuwandeln, ohne weitere Änderungen im System vorzunehmen.
* 3. Hauptsatz der Thermodynamik: Satz von Nernst: Die Entropie jedes Systems beim absoluten Nullpunkt kann immer als Null angenommen werden
3.1. Gesetz der Schwerkraft
Schwerkraft (universelle Gravitation, Gravitation) (von lateinisch gravitas – „Schwere“) ist eine weitreichende grundlegende Wechselwirkung in der Natur, der alle materiellen Körper unterliegen. Nach modernen Erkenntnissen handelt es sich um eine universelle Wechselwirkung in dem Sinne, dass sie im Gegensatz zu allen anderen Kräften ausnahmslos allen Körpern die gleiche Beschleunigung verleiht, unabhängig von ihrer Masse. Im kosmischen Maßstab spielt vor allem die Schwerkraft eine entscheidende Rolle. Der Begriff Schwerkraft wird auch als Bezeichnung für den Zweig der Physik verwendet, der sich mit Gravitationswechselwirkungen befasst. Die erfolgreichste moderne physikalische Theorie in der klassischen Physik, die die Schwerkraft beschreibt, ist die Allgemeine Relativitätstheorie; die Quantentheorie der Gravitationswechselwirkung wurde noch nicht aufgestellt.
3.2. Gravitationswechselwirkung
Die Gravitationswechselwirkung ist eine der vier grundlegenden Wechselwirkungen in unserer Welt. Im Rahmen der klassischen Mechanik wird die Gravitationswechselwirkung durch das Newtonsche Gesetz der universellen Gravitation beschrieben, das besagt, dass die Anziehungskraft der Gravitation zwischen zwei materiellen Punkten der Masse m1 und m2, die durch einen Abstand R voneinander getrennt sind, beträgt
Hier ist G die Gravitationskonstante gleich m³/(kg s²). Das Minuszeichen bedeutet, dass die auf den Körper wirkende Kraft immer gleich der Richtung des auf den Körper gerichteten Radiusvektors ist, d.h. Gravitationswechselwirkung führt immer zur Anziehung aller Körper.
Das Schwerkraftfeld ist potentiell. Das bedeutet, dass man die potentielle Energie der Gravitationsanziehung eines Körperpaares einbringen kann und diese Energie sich nicht ändert, nachdem man die Körper entlang einer geschlossenen Schleife bewegt. Die Potentialität des Gravitationsfeldes beinhaltet den Erhaltungssatz der Summe aus kinetischer und potentieller Energie und vereinfacht die Lösung bei der Untersuchung der Bewegung von Körpern in einem Gravitationsfeld oft erheblich. Im Rahmen der Newtonschen Mechanik ist die Gravitationswechselwirkung weitreichend. Das bedeutet, dass das Gravitationspotential an jedem Punkt im Raum, egal wie sich ein massiver Körper bewegt, nur von der Position des Körpers zu einem bestimmten Zeitpunkt abhängt.
Große Weltraumobjekte – Planeten, Sterne und Galaxien – haben eine enorme Masse und erzeugen daher erhebliche Gravitationsfelder. Die Schwerkraft ist die schwächste Wechselwirkung. Da sie jedoch in allen Entfernungen wirkt und alle Massen positiv sind, ist sie dennoch eine sehr wichtige Kraft im Universum. Zum Vergleich: Die gesamte elektrische Ladung dieser Körper ist Null, da der Stoff insgesamt elektrisch neutral ist. Außerdem ist die Wirkung der Schwerkraft im Gegensatz zu anderen Wechselwirkungen universell auf alle Materie und Energie. Es wurden keine Objekte entdeckt, die überhaupt keine Gravitationswechselwirkung haben.
Aufgrund ihrer globalen Natur ist die Schwerkraft für so großräumige Effekte wie die Struktur von Galaxien, Schwarzen Löchern und die Ausdehnung des Universums sowie für elementare astronomische Phänomene – die Umlaufbahnen von Planeten – und für die einfache Anziehungskraft auf die Oberfläche des Universums verantwortlich Die Erde und der Fall der Körper.
Die Schwerkraft war die erste Wechselwirkung, die von der mathematischen Theorie beschrieben wurde. In der Antike glaubte Aristoteles, dass Objekte unterschiedlicher Masse unterschiedlich schnell fallen. Erst viel später stellte Galileo Galilei experimentell fest, dass dies nicht der Fall ist – wenn der Luftwiderstand eliminiert wird, beschleunigen alle Körper gleich. Isaac Newtons Gesetz der universellen Gravitation (1687) beschrieb das allgemeine Verhalten der Schwerkraft gut. Im Jahr 1915 entwickelte Albert Einstein die Allgemeine Relativitätstheorie, die die Schwerkraft anhand der Geometrie der Raumzeit genauer beschreibt.
3.3. Himmelsmechanik und einige ihrer Aufgaben
Der Zweig der Mechanik, der die Bewegung von Körpern im leeren Raum nur unter dem Einfluss der Schwerkraft untersucht, wird Himmelsmechanik genannt.
Das einfachste Problem der Himmelsmechanik ist die gravitative Wechselwirkung zweier Körper im leeren Raum. Dieses Problem wird bis zum Schluss analytisch gelöst; Das Ergebnis seiner Lösung wird oft in Form der drei Keplerschen Gesetze formuliert.
Mit zunehmender Anzahl interagierender Körper wird die Aufgabe erheblich komplizierter. Somit kann das bereits bekannte Dreikörperproblem (also die Bewegung dreier Körper mit Massen ungleich Null) nicht in allgemeiner Form analytisch gelöst werden. Bei einer numerischen Lösung kommt es recht schnell zu einer Instabilität der Lösungen relativ zu den Anfangsbedingungen. Auf das Sonnensystem übertragen macht es diese Instabilität unmöglich, die Bewegung von Planeten auf Skalen von mehr als hundert Millionen Jahren vorherzusagen.
In einigen Sonderfällen ist es möglich, eine Näherungslösung zu finden. Der wichtigste Fall liegt vor, wenn die Masse eines Körpers deutlich größer ist als die Masse anderer Körper (Beispiele: das Sonnensystem und die Dynamik der Saturnringe). In diesem Fall können wir in erster Näherung davon ausgehen, dass Lichtkörper nicht miteinander interagieren und sich entlang der Kepler-Trajektorien um den massiven Körper bewegen. Die Wechselwirkungen zwischen ihnen können im Rahmen der Störungstheorie berücksichtigt und über die Zeit gemittelt werden. In diesem Fall können nicht triviale Phänomene wie Resonanzen, Attraktoren, Chaos usw. auftreten. Ein klares Beispiel für solche Phänomene ist die nicht triviale Struktur der Saturnringe.
Trotz Versuchen, das Verhalten eines Systems aus einer großen Anzahl anziehender Körper etwa gleicher Masse zu beschreiben, gelingt dies aufgrund des Phänomens des dynamischen Chaos nicht.
3.4. Starke Gravitationsfelder
In starken Gravitationsfeldern treten bei Bewegungen mit relativistischen Geschwindigkeiten die Auswirkungen der Allgemeinen Relativitätstheorie auf:
Abweichung des Gravitationsgesetzes vom Newtonschen Gesetz;
Verzögerung von Potentialen, die mit der endlichen Ausbreitungsgeschwindigkeit von Gravitationsstörungen verbunden sind; das Auftreten von Gravitationswellen;
Nichtlinearitätseffekte: Gravitationswellen neigen dazu, miteinander zu interagieren, sodass das Prinzip der Überlagerung von Wellen in starken Feldern nicht mehr gilt;
Veränderung der Geometrie der Raumzeit;
Die Entstehung Schwarzer Löcher;
3.5. Moderne klassische Schwerkrafttheorien
Aufgrund der Tatsache, dass Quanteneffekte der Schwerkraft selbst unter extremsten experimentellen und beobachtenden Bedingungen äußerst gering sind, gibt es noch keine verlässlichen Beobachtungen darüber. Theoretische Schätzungen zeigen, dass man sich in den allermeisten Fällen auf die klassische Beschreibung der Gravitationswechselwirkung beschränken kann.
Es gibt eine moderne kanonische klassische Theorie der Schwerkraft – die allgemeine Relativitätstheorie – und viele klärende Hypothesen und Theorien unterschiedlichen Entwicklungsgrades, die miteinander konkurrieren (siehe den Artikel Alternative Theorien der Schwerkraft). Alle diese Theorien treffen innerhalb der Näherung, mit der derzeit experimentelle Tests durchgeführt werden, sehr ähnliche Vorhersagen. Im Folgenden sind einige grundlegende, am weitesten entwickelte oder bekannteste Theorien der Schwerkraft aufgeführt.
Newtons Gravitationstheorie basiert auf dem Konzept der Schwerkraft, bei der es sich um eine weitreichende Kraft handelt: Sie wirkt in jeder Entfernung sofort. Diese augenblickliche Natur der Aktion ist mit dem Feldparadigma der modernen Physik und insbesondere mit der speziellen Relativitätstheorie, die 1905 von Einstein entwickelt wurde und von den Arbeiten von Poincaré und Lorentz inspiriert wurde, unvereinbar. Nach Einsteins Theorie können sich im Vakuum keine Informationen schneller als mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten.
Mathematisch leitet sich Newtons Gravitationskraft aus der potentiellen Energie eines Körpers in einem Gravitationsfeld ab. Das dieser potentiellen Energie entsprechende Gravitationspotential folgt der Poisson-Gleichung, die unter Lorentz-Transformationen nicht invariant ist. Der Grund für die Nichtinvarianz liegt darin, dass Energie in der speziellen Relativitätstheorie keine skalare Größe ist, sondern in die Zeitkomponente des 4-Vektors eingeht. Die Vektortheorie der Schwerkraft ähnelt Maxwells Theorie des elektromagnetischen Feldes und führt zur negativen Energie von Gravitationswellen, die mit der Art der Wechselwirkung zusammenhängt: Gleiche Ladungen (Masse) ziehen sich in der Schwerkraft an und stoßen sich nicht ab im Elektromagnetismus. Somit ist Newtons Gravitationstheorie unvereinbar mit dem Grundprinzip der speziellen Relativitätstheorie – der Invarianz der Naturgesetze in jedem Trägheitsbezugssystem und der direkten Vektorverallgemeinerung von Newtons Theorie, die erstmals 1905 von Poincaré vorgeschlagen wurde Die Arbeit „Über die Dynamik des Elektrons“ führt zu physikalisch unbefriedigenden Ergebnissen.
Einstein begann nach einer Gravitationstheorie zu suchen, die mit dem Prinzip der Invarianz der Naturgesetze relativ zu jedem Bezugssystem vereinbar wäre. Das Ergebnis dieser Suche war die Allgemeine Relativitätstheorie, die auf dem Prinzip der Identität von schwerer und träger Masse basiert.
Das Prinzip der Gleichheit von Gravitations- und Trägheitsmassen
In der klassischen Newtonschen Mechanik gibt es zwei Massekonzepte: Das erste bezieht sich auf Newtons zweites Gesetz und das zweite auf das Gesetz der universellen Gravitation. Die erste Masse – träge (oder träge) – ist das Verhältnis der auf den Körper wirkenden nichtgravitativen Kraft zu seiner Beschleunigung. Die zweite Masse – die Schwerkraft (oder, wie sie manchmal genannt wird, schwer) – bestimmt die Anziehungskraft eines Körpers durch andere Körper und seine eigene Anziehungskraft. Im Allgemeinen werden diese beiden Massen, wie aus der Beschreibung hervorgeht, in verschiedenen Experimenten gemessen und müssen daher überhaupt nicht proportional zueinander sein. Ihre strikte Proportionalität erlaubt es uns, sowohl bei nichtgravitativen als auch bei gravitativen Wechselwirkungen von einer einzigen Körpermasse zu sprechen. Durch geeignete Wahl der Einheiten können diese Massen einander angeglichen werden.
Das Prinzip selbst wurde von Isaac Newton aufgestellt und die Massengleichheit wurde von ihm experimentell mit einer relativen Genauigkeit von 10−3 verifiziert. Ende des 19. Jahrhunderts führte Eötvös subtilere Experimente durch und brachte die Genauigkeit der Prüfung des Prinzips auf 10−9. Im 20. Jahrhundert ermöglichte die experimentelle Technologie den Nachweis der Massengleichheit mit einer relativen Genauigkeit von 10−12-10−13 (Braginsky, Dicke usw.).
Manchmal wird das Prinzip der Gleichheit von Gravitations- und Trägheitsmassen als schwaches Äquivalenzprinzip bezeichnet. Albert Einstein basierte dabei auf der Allgemeinen Relativitätstheorie.
Das Prinzip der Bewegung entlang geodätischer Linien
Wenn die schwere Masse genau gleich der trägen Masse ist, dann heben sich im Ausdruck für die Beschleunigung eines Körpers, auf den nur Gravitationskräfte wirken, beide Massen auf. Daher hängt die Beschleunigung eines Körpers und damit seine Flugbahn nicht von der Masse und der inneren Struktur des Körpers ab. Wenn alle Körper am selben Punkt im Raum die gleiche Beschleunigung erhalten, kann diese Beschleunigung nicht mit den Eigenschaften der Körper, sondern mit den Eigenschaften des Raums selbst an diesem Punkt in Verbindung gebracht werden.
Somit kann die Beschreibung der Gravitationswechselwirkung zwischen Körpern auf eine Beschreibung der Raumzeit reduziert werden, in der sich die Körper bewegen. Es liegt nahe, wie Einstein anzunehmen, dass sich Körper durch Trägheit bewegen, also so, dass ihre Beschleunigung in ihrem eigenen Bezugssystem Null ist. Die Flugbahnen der Körper werden dann geodätische Linien sein, deren Theorie bereits im 19. Jahrhundert von Mathematikern entwickelt wurde.
Die geodätischen Linien selbst können gefunden werden, indem in der Raumzeit ein Analogon des Abstands zwischen zwei Ereignissen angegeben wird, das traditionell als Intervall oder Weltfunktion bezeichnet wird. Ein Intervall im dreidimensionalen Raum und in der eindimensionalen Zeit (also in der vierdimensionalen Raumzeit) ist durch 10 unabhängige Komponenten des metrischen Tensors gegeben. Diese 10 Zahlen bilden die Metrik des Raumes. Es definiert den „Abstand“ zwischen zwei unendlich nahen Punkten in der Raumzeit in verschiedenen Richtungen. Geodätische Linien, die den Weltlinien physischer Körper entsprechen, deren Geschwindigkeit geringer als die Lichtgeschwindigkeit ist, erweisen sich als Linien größter Eigenzeit, d. h. der Zeit, die von einer fest mit dem Körper verbundenen Uhr gemessen wird, die dieser Flugbahn folgt.
Moderne Experimente bestätigen die Bewegung von Körpern entlang geodätischer Linien mit der gleichen Genauigkeit wie die Gleichheit von Gravitations- und Trägheitsmassen.
Abschluss
Aus Newtons Gesetzen ergeben sich unmittelbar einige interessante Schlussfolgerungen. Das dritte Newtonsche Gesetz besagt also, dass Körper, egal wie sie interagieren, ihren Gesamtimpuls nicht ändern können: Es entsteht das Gesetz der Impulserhaltung. Als nächstes müssen wir fordern, dass das Wechselwirkungspotential zweier Körper nur vom Modul der Koordinatendifferenz dieser Körper U(|r1-r2|) abhängt. Dann ergibt sich der Erhaltungssatz der gesamten mechanischen Energie wechselwirkender Körper:
Newtons Gesetze sind die Grundgesetze der Mechanik. Aus ihnen lassen sich alle anderen Gesetze der Mechanik ableiten.
Gleichzeitig sind die Newtonschen Gesetze nicht die tiefste Formulierungsebene der klassischen Mechanik. Im Rahmen der Lagrange-Mechanik gibt es eine einzige Formel (eine Aufzeichnung der mechanischen Wirkung) und ein einziges Postulat (Körper bewegen sich so, dass die Wirkung minimal ist), und daraus können alle Newtonschen Gesetze abgeleitet werden. Darüber hinaus kann man im Rahmen des Lagrange-Formalismus leicht hypothetische Situationen betrachten, in denen die Handlung eine andere Form hat. In diesem Fall ähneln die Bewegungsgleichungen nicht mehr den Newtonschen Gesetzen, die klassische Mechanik selbst bleibt jedoch weiterhin anwendbar ...
Bewegungsgleichungen lösen
Die Gleichung F = ma (also das zweite Newtonsche Gesetz) ist eine Differentialgleichung: Die Beschleunigung ist die zweite Ableitung der Koordinate nach der Zeit. Dies bedeutet, dass die zeitliche Entwicklung eines mechanischen Systems eindeutig bestimmt werden kann, wenn seine Anfangskoordinaten und Anfangsgeschwindigkeiten angegeben werden. Beachten Sie, dass Phänomene wie Trägheit, Schwingungen und Wellen aus unserer Welt verschwinden würden, wenn die Gleichungen, die unsere Welt beschreiben, Gleichungen erster Ordnung wären.
Das Studium der Grundgesetze der Physik bestätigt, dass sich die Wissenschaft schrittweise weiterentwickelt: Jede Stufe, jedes offene Gesetz ist eine Stufe in der Entwicklung, liefert jedoch nicht endgültige Antworten auf alle Fragen.
Literatur:
Große sowjetische Enzyklopädie (Newtons Gesetze der Mechanik und andere Artikel), 1977, „Sowjetische Enzyklopädie“
Online-Enzyklopädie www.wikipedia.com
Bundesamt für Bildung
GOU VPO Rybinsk State Aviation Academy, benannt nach. P. A. Solovyova
Fachbereich „Allgemeine und Technische Physik“
ABSTRAKT
In der Disziplin „Konzepte der modernen Naturwissenschaft“Thema: „Grundgesetze der Physik“
Gruppe ZKS-07
Student Balshin A.N.Lehrer: Vasilyuk O.V.
