Какие основные особенности взаимодействия тел?
Если на тело не действуют другие тела, то оно либо находится в покое, либо движется прямолинейно и равномерно. Взаимодействие тел приводит
к ускорению тел. Для двух данных взаимодействующих тел отношение модулей их
ускорений всегда одно и то же.
Простые наблюдения и опыты, например с тележками (рис. 3), приводят к следующим качественным заключениям: а) тело, на которое другие тела не действуют, сохраняет свою скорость неизменной; б) ускорение тела возникает под действием других тел, но зависит и от самого тела; в) действия тел друг на друга всегда носят характер взаимодействия. Эти выводы подтверждаются при наблюдении явлений в природе, технике, космическом пространстве только в инерциальных системах отсчета.
Взаимодействия отличаются друг от друга и количественно, и качественно. Например, ясно, что чем больше деформируется пружина, тем больше взаимодействие ее витков. Или чем ближе два одноименных заряда, тем сильнее они будут притягиваться. В простейших случаях взаимодействия количественной характеристикой является сила. Сила - причина ускорения тел (в инерциальной системе отсчета). Сила - это векторная физическая величина, являющаяся мерой ускорения, приобретаемого телами при взаимодействии. Сила характеризуется: а) модулем; б) точкой приложения; в) направлением.
Единица силы - ньютон (Н). 1 ньютон - это сила, которая телу массой 1 кг сообщает ускорение 1 м/с2 в направлении действия этой силы, если другие тела на него не действуют. Равнодействующей нескольких сил называют силу, действие которой эквивалентно действию тех сил, которые она заменяет. Равнодействующая является векторной суммой всех сил, приложенных к телу:
Качественно по своим свойствам взаимодействия также различны. Например, электрическое и магнитное взаимодействия связаны с наличием зарядов у частиц либо с движением заряженных частиц. Наиболее просто рассчитать силы в электродинамике: сила Ампера -, сила Лоренца -, кулоновская сила - и гравитационные си-лы: закон всемирного тяготения -. Такие механические силы, как сила упругости и сила трения, возникают в результате электромагнитного взаимодействия частиц вещества. Для их расчета необходимо использовать формулы: (закон Гука), - сила трения.
На основании обобщения огромного числа опытных фактов и наблюдений были сформулированы законы динамики. Такое обобщение было выполнено Исааком Ньютоном.
Первый закон Ньютона постулирует существова-ние инерционных систем отсчета и дает признак, пользуясь которым такие системы можно выделить из всего разнообразия систем отсчета: существуют такие системы отсчета, относительно которых посту¬пательно движущееся тело сохраняет свою скорость постоянной, если на него не действуют другие тела (или действия других тел компенсируются).
Второй закон Ньютона отражает фундаменталь¬ное свойство материального мира, в соответствии с которым относительно инерциальных систем отсчета ускорение тел возникает только под действием сил. Этот закон формулируется следующим образом. Ускорение, с которым движется тело, прямо пропорционально равнодействующей всех сил, дей-ствующих на тело, обратно пропорционально его массе и направлено так же, как и равнодействую¬щая сила: Часто основной закон динамики записывают в виде, что дает универсальный способ определения любых сил на основе кинематических методов измерения ускорения. Третий закон Ньютона является обобщением громадного количества опытных фактов, показывающих, что силы - результат взаимодействия тел. Он формулируется следующим образом: тела действуют друг на друга с силами, равными по модулю и противоположными по направлению. Распространенные ошибки1. Многие абитуриенты не понимают, какая связь существует между законами Ньютона. Приходилось слышать такие ответы, в которых говорилось, что будто бы первый закон Ньютона является следствием второго закона Ньютона. Это не верно. Первый закон Ньютона (закон инерции) - важный и самостоятельный закон. Он утверждает, что если на тело не действуют другие тела, то оно находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения относительно инерциальной системы отсчета. Из этого закона следует, что причиной изменения скоростя является сила.
Толкните стену. Прямо сейчас подойдите и сильно толкните стену. Что-нибудь произошло? Вряд ли. Тогда толкните стену не просто сильно, а изо всех сил. На этот раз произошло? Со стеной - вряд ли, а вот вы, скорее всего, отлетели от стены на некоторое расстояние. Как же так?
Ведь это вы толкали стену, а получилось, что это стена толкнула вас. Еще пример - бильярд. Когда мы бьем кием по шару и попадаем в другой шар, то второй шар начинает движение, но и первый при этом отлетает в обратную сторону или же вбок. Третий пример - это молоток. Когда молотком бьют по гвоздю, то не только гвоздь забивается в стену, но и молоток отскакивает обратно и может дать по лбу незадачливому умельцу. Во всех этих примерах мы действовали одним телом на другое, но при этом оказалось, что и другое тело тоже действовало на первое. В физике действие двух тел друг на друга называется взаимодействием.
Взаимодействие тел в физике
При взаимодействии двух тел всегда результат ощущают на себе оба тела. То есть, говоря простым языком, всегда при воздействии на что-то следует отдача. Наверное, все драчливые мальчишки знают, что во время драки страдает не только лицо противника, но и собственные кулаки можно здорово поразбивать. То есть, пока один хулиган атакует кулаком нос другого хулигана, нос в это время атакует кулак в ответ. Однако, нос при этом страдает гораздо больше. Ну, с носом все понятно - он мягче и потому сильнее повреждается, а вот почему шар при ударе кием отлетает намного сильнее, чей кий в это же время? То есть, не отлетает же кий, и мы вместе с ним, на несколько метров от стола? А это объясняется тем, что тела бывают более инертны и менее инертны.
Виды взаимодействия тел и мера взаимодействия
Про тело, которое при взаимодействии изменяет свою скорость медленнее, говорят, что оно более инертно и имеет большую массу. А тело, которое быстрее изменяет свою скорость, мы называем менее инертным, и говорим, что оно имеет меньшую массу. Именно поэтому мы не отлетаем от стола при ударе кием по шару и, наоборот, отлетаем от стены, при попытке толкнуть стену и, соответственно весь дом, к которому она приделана. Масса нас с кием намного больше массы бильярдного шара, но при этом намного меньше массы дома, даже если мы взгромоздим себе на плечи жену, трех детей, связку баранок и кошку.
Знакомство с взаимодействием тел рассматривается в курсе физики 7 класса.
Мерой взаимодействия тел является сила. Существует 4 не сводящихся друг к другу вида взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Но эту тему подробно разбирают в курсе 10 класса.
Ещё древние греки заметили, что если потереть о кусок шерстяной ткани древнюю окаменевшую древесную смолу (янтарь), то он будет притягивать к себе многие предметы: пушинки, соломинки, волоски меха и пр. В 17 веке этот процесс начали изучать более детально, а современные дети до сих пор любят эксперименты с наэлектризованными телами.
- История изучения явлений электризации
- Разные виды зарядов («+» и «-»)
- Где используется явление электризации?
История изучения явлений электризации
В начале 17 века подобные явления взаимодействия тел назвали электрическими, поскольку на древнегреческом янтарь звучал как «электрон». Появилось понимание того, что после натирания тела, которые начинают притягивать другие предметы, приобретают электрический заряд или наэлектризовываются. При натирании эбонитовой палочки о сукно притягивать клочки бумаги будет не только эбонит, но и ткань. Стало понятно, что взаимно электризуются оба предмета в паре.
Демонстрировать взаимодействие наэлектризованных тел могут самые разнообразные пары предметов: шёлковая ткань и стеклянная палочка, бумагу и пластинка из оргстекла, мех или сукно и эбонитовая палочка (каучук вулканизованный с серой).
Затем было установлено, что электрический заряд может перетекать с одного предмета на другой. Стоит им лишь коснуться друг друга, как часть заряда окажется на незаряженном до этого предмете, который также начнёт притягивать к себе ворсинки или кусочки бумаги.
Если потереть стеклянной палочкой об бумажный лист, и тут же поднести её к мелким бумажным кусочкам, то последние начнут притягиваться к стеклу. Также будет вести себя и тонкая струйка воды.
Разные виды зарядов («+» и «-»)
Свойством притягивать к себе предметы обладают совершенно все наэлектризованные тела. Причём по их притяжению нельзя определить, какой заряд приобрёл, например, эбонит, потёртый о мех, а какой стеклянная палочка, потёртая о шёлк, ведь оба наэлектризованных предмета в результате одинаково притягивают к себе кусочки бумаги. Значит ли это, что на предметах из разных материалов скапливаются одинаковые заряды?
Чтобы провести лабораторное наблюдение взаимодействия наэлектризованных тел, нужно взять пару эбонитовых палочек и наэлектризовать их об мех. Затем подвесить одну палочку за центр тяжести и приблизить к ней вторую палочку. Можно заметить, что теперь палочки будут отталкиваться. Ровно такой же результат получится, если вместо эбонита взять стеклянные палочки, а вместо меха шёлк. А вот если к наэлектризованной палочке из эбонита поднести наэлектризованную палочку из стекла, то они начнут притягиваться друг к другу. То есть, очевидно, что наэлектризованные предметы будут взаимно притягиваться или отталкиваться. Как объяснить взаимодействие наэлектризованных тел в данном случае?
Очевидно, что при электризации у эбонитовой палочки возникает другой заряд, нежели у стеклянной, что и подтверждают эксперименты.
В своё время условились называть электрический заряд натёртой шёлком стеклянной палочки положительным, а заряд потёртой об мех эбонитовой палочки отрицательным. Часть тел электризуются положительно, подобно стеклянной палочке, а другая часть тел электризуется отрицательно, как эбонит. Положительный заряд обозначили знаком «+ », а отрицательный – знаком «— ».
Если к наэлектризованной эбонитовой палочке подносить различные наэлектризованные предметы (пластмассу, резину и т.д.), то одни будут отталкивать эбонит, а другие притягивать. Если эбонит и другой предмет отталкиваются, то последний имеет такой же отрицательный заряд, а если наблюдается притяжение предмета и эбонита, то у предмета присутствует положительный заряд. То есть, очевидно следующее:
- если тела имеют одинаковый заряд, то они отталкиваются;
- если у тел различные заряды, то они притягиваются.
Видео о взаимодействии наэлектризованных тел:
Тела могут электризоваться не только путём трения. Получить заряд предмет может, если им коснуться другого заряженного предмета. Из металлической фольги можно сделать гильзу и подвесить её на шёлковой нити. Если к гильзе поднести наэлектризованный эбонит, то гильза вначале притянется к нему, но сразу же и оттолкнётся от палочки. То есть, при прикосновении к эбониту, гильза получила от него порцию отрицательного заряда. Это можно дополнительно проверить, если теперь поднести к заряженной отрицательно гильзе потёртую о шёлк стеклянную палочку – гильза сразу же притянется к стеклу с противоположным зарядом.
Подобные опыты наглядно демонстрируют, что предмет наэлектризован, то есть имеет избыточный электрический заряд. На этом явлении построена работа простейшего прибора – электроскопа, позволяющего наблюдать наличие заряда. С помощью электроскопа можно не только определить наличие электрического заряда, но и примерно определить его величину.
На рисунке внизу изображён простейший школьный электроскоп (прибор для обнаружения и измерения электрического заряда), в котором на пластмассовой оси закреплён металлический стержень с лепестками, и всё это находится в металлическом корпусе, который с двух сторон имеет остекление. Если поднести к незаряженному электроскопу заряженную эбонитовую палочку, то лепестки прибора разойдутся. Если к нему поднести ещё одно тело с зарядом того же знака, то лепестки электроскопа разойдутся ещё сильнее. Но если поднести к нему предмет, имеющий противоположный заряд, то угол между листочками станет меньше.
Таким образом, с помощью электроскопа можно понять, какой тип заряда несёт то или иное тело. По степени отклонения лепестков электроскопа можно оценить, стал ли его заряд больше или меньше, ведь чем больше заряд, переданный прибору, тем сильнее расходятся его лепестки. То есть электроскоп сильнее наэлектризован.
Где используется явление электризации?
Принцип взаимной электризации тел во время прикосновения используется в работе:
копировальных машин – ксероксов;
электрических фильтров, вылавливающих пыль и дым из воздуха;
при окраске предметов распылением мелкие частицы краски также электризуются, в результате чего прочнее и ровнее прикрепляются к окрашиваемой поверхности.
А Вы проводили опыты с наэлектризованными телами? Поделитесь своим мнением о взаимодействии наэлектризованных тел в комментариях .
Как утверждает классическая физика, в известном нам мире постоянно происходит взаимодействие тел, частиц между собой. Даже если мы наблюдаем объекты, находящиеся в покое, это не означает, что ничего не происходит. Именно благодаря удерживающим силам между молекулами, атомами и элементарными частицами вы можете видеть предмет в виде доступной нам и понятной материи физического мира.
Взаимодействие тел в природе и жизни
Как мы знаем из собственного опыта, когда падаешь на что-то, бьёшься, с чем-то сталкиваешься, это оказывается неприятно и больно. Толкаете машину или в вас врезается зазевавшийся прохожий. Тем или иным образом вы вступаете во взаимодействие с окружающим миром. В физике данное явление получило определение "взаимодействие тел". Рассмотрим подробно, на какие виды подразделяет их современная классическая наука.
Виды взаимодействия тел
В природе существует четыре вида взаимодействия тел. Первое, всем известное, это гравитационное взаимодействие тел. Масса тел является определяющей в том, насколько сильна гравитация. Она должна быть достаточно огромных масштабов, для того чтобы мы её смогли заметить. В противном случае наблюдение и регистрация данного вида взаимодействия достаточно затруднительны. Космос является тем местом, где силы гравитации вполне возможно наблюдать на примере космических тел с огромной массой.
Взаимозависимость между гравитацией и массой тела
Непосредственно энергия взаимодействия тел прямо пропорциональна массе и обратно пропорционально квадрату расстояния между ними. Это согласно определению современной науки.
Притяжение вас и всех предметов на нашей планете обусловлено тем, что существует сила взаимодействия двух тел, обладающих массой. Поэтому подкинутый вверх предмет притягивается назад к поверхности Земли. Планета достаточно массивна, поэтому сила действия ощутима. Гравитация вызывает взаимодействие тел. Масса тел даёт возможность её проявления и регистрации.
Природа гравитации не ясна
Природа этого явления на сегодня вызывает множество споров и предположений, кроме фактического наблюдения и видимой взаимосвязи между массой и притяжением, не выявлена сила, вызывающая гравитацию. Хотя на сегодня проходит ряд экспериментов, связанных с обнаружением гравитационных волн в космическом пространстве. Более точное предположение в своё время высказал Альберт Эйнштейн.
Он сформулировал гипотезу, что гравитационная сила является порождением искривления ткани пространства-времени расположенными в нем телами.
Впоследствии, при вытеснении пространства материей, оно стремится восстановить свой объем. Эйнштейн предположил, что существует обратно пропорциональная зависимость между силой и плотностью материи.
Примером наглядной демонстрации этой зависимости могут служить чёрные дыры, имеющие немыслимую плотность материи и гравитацию, способную притянуть не только космические тела, но и свет.
Именно благодаря влиянию природы гравитации сила взаимодействия тел обеспечивает существование планет, звёзд и прочих космических объектов. Кроме этого, вращение одних объектов вокруг других присутствует по этой же причине.
Электромагнитные силы и прогресс
Электромагнитное взаимодействие тел несколько напоминает гравитационное, но намного сильнее. Взаимодействие положительно и отрицательно заряженных частиц является причиной его существования. Собственно, это и вызывает возникновение электромагнитного поля.
Оно генерируется телом (телами) либо поглощается или вызывает взаимодействие заряженных тел. Этот процесс играет очень важную роль в биологической деятельности живой клетки и перераспределении веществ в ней.
Помимо этого, наглядным примером электромагнитного проявления сил является обычный электрический ток, магнитное поле планеты. Человечество достаточно обширно применяет эту силу для передачи данных. Это мобильная связь, телевидение, GPRS и многое другое.
В механике это проявляется в виде упругости, трения. Наглядный эксперимент, демонстрирующий наличие данной силы, всем известен из школьного курса физики. Это натирание шёлковой тканью эбонитовой полочки. Возникшие на поверхности частицы с отрицательным зарядом обеспечивают притяжение лёгких предметов. Повседневный пример - это расчёска и волосы. После нескольких движений пластмассой по волосам возникает притяжение между ними.
Стоит упомянуть о компасе и магнитном поле Земли. Стрелка намагничена и имеет концы с положительно и отрицательно заряженными частицами, как следствие, реагирует на магнитное поле планеты. Поворачивается своим "положительным" концом по направлению отрицательных частиц и наоборот.
Малы размеры, но огромна сила
Что касается сильного взаимодействия, то его специфика несколько напоминает электромагнитный вид сил. Причиной тому служит наличие положительных и отрицательно заряженных элементов. Подобно электромагнитной силе, наличие разноимённых зарядов приводит к взаимодействию тел. Масса тел и расстояние между ними очень малы. Это область субатомного мира, где подобные объекты именуются частицами.
Эти силы действуют в области атомного ядра и обеспечивают связь между протонами, электронами, барионами и прочими элементарными частицами. На фоне их размеров, по сравнению с большими объектами, взаимодействие заряженных тел значительно сильнее, чем при электромагнитном типе сил.
Слабые силы и радиоактивность
Слабый вид взаимодействия связан непосредственно с распадом неустойчивых частиц и сопровождается высвобождением разного вида излучения в виде альфа-, бета- и гамма-частиц. Как правило, вещества и материалы с подобными характеристиками называют радиоактивными. 
Этот вид сил называется слабым вследствие того, что слабее электромагнитного и сильного типа взаимодействия. Однако он мощнее, чем гравитационное взаимодействие. Дистанции в данном процессе между частицами весьма малы, порядка 2·10 −18 метров.
Факт обнаружения силы и определения её в ряд фундаментальных произошёл достаточно недавно.
С открытием в 1896 году Анри Беккерель явления радиоактивности веществ, в частности солей урана, было положено начало изучения этого вида взаимодействия сил.
Четыре силы создали Вселенную
Вся Вселенная существует благодаря четырём фундаментальным силам, открытым современной наукой. Они породили космос, галактики, планеты, звезды и различные процессы в том виде, в каком мы это наблюдаем. На данном этапе считается полным определение фундаментальных сил в природе, но, возможно, со временем мы узнаем о наличии новых сил, и знание природы мироздания станет на шаг ближе к нам.
