Энергия. Законы сохранения.

Энергия – скалярная физическая величина, являющаяся общей мерой различных форм движения материи. Суммарная энергия замкнутой системы с течением времени не изменяется. Как показал А.Эйнштейн, полная энергия системы, имеющей массу М, равна Е = Мс², где с – скорость света в вакууме.

Механическая энергиясостоит изкинетическойипотенциальной. Кинетическая энергия материальной точки массойm, движущейся со скоростьюv, равнаE_k=mv²/2. Изменение кинетической энергии материальной точки есть результат совершения работы внешними силами над этой точкой. Потенциальной энергией называется часть энергии, зависящая только от конфигурации системы или от ее положения во внешнем поле сил. Говорят о потенциальной энергии гравитационного и электромагнитного взаимодействия. У поверхности Земли гравитационное поле можно считать однородным и потенциальная энергия меняется линейно с высотой, пропорционально массе. Электрические и магнитные поля неразрывно связаны друг с другом, образуя единое электромагнитное поле. Электрическое поле порождается заряженными частицами и переменным магнитным полем. Магнитное поле порождается движущимися заряженными частицами и переменным электрическим полем. Свойства электромагнитного поля описываются системой уравнений Максвелла.

Изменение потенциальной энергии представляет собой работу, которую совершают консервативные электромагнитные или гравитационные силы, при переходе системы из одного состояния в другое. Консервативные силы – это силы, работа которых зависит только от начального и конечного состояний системы и не зависит от пути перехода система из одного состояния в другое. Тела взаимодействуют посредством создаваемых ими полей. Сама потенциальная энергия материализуется в поле, окружающем взаимодействующие тела.

Состояние равновесия называют устойчивым, если малое внешнее воздействие на систему не изменяет ее состояния. В состоянии устойчивого равновесия потенциальная энергия системы имеет минимум. Стремление к минимуму потенциальной энергии объясняет многие явления природы. Тот факт, что все небесные тела (планеты, звезды), обладающие значительной массой, шарообразны, объясняется тем, что этой формой достигается минимум потенциальной энергии гравитационного взаимодействия между частицами этих тел.

8.Закон всемирного тяготения Ньютона.

Одно из величайших достоинств механики Ньютона была ее способность правильно описать движение планет в Солнечной системе под действием гравитационной силы. Закон всемирного тяготения имеет вид

F =GMm/D,

G–постоянная, одинаковая для всех тел во Вселенной. Ньютон сделал предположение, что силаFдействует мгновенно через пустое пространство, разделяющее тела. Поэтому теория Ньютона является теорией мгновенного действия на расстоянии (теорией дальнодействия). Понятие мгновенности строго определено в ньютоновской модели времени, т.к. там существует однозначное понятие одновременности даже для точек, удаленных друг от друга на расстоянииr.

Связав закон тяготения со вторым законом, Ньютон показал, что орбита движения планет вокруг Солнца должна быть эллипсом.

Лекция 4.

Электромагнитное поле Максвелла и эфир.

Теория Ньютона не смогла верно объяснить картину движения электрически заряженных частиц, взаимодействующих друг с другом через пустое пространство под влиянием электрических и магнитных сил.

Модель атома напоминает модель Солнечной системы: вокруг тяжелого положительного ядра обращаются более легкие и подвижные электроны. Но между гравитационными и электромагнитными силами имеются три важных отличия:

1. электрическим зарядом обладают лишь некоторые частицы, тогда как гравитационным «зарядом» обладают все формы вещества и энергии;

2. электрические силы могут приводить как к притяжению, так и к отталкиванию, гравитирущие объекты всегда только притягивают друг друга;

3. электромагнитные и гравитационные силы отличаются по величине. В атоме, например, первые намного превосходят соответствующие гравитационные (более чем в 10³⁹ раз).

В обыденной жизни доминирует электромагнетизм. Однако ввиду существования электрических зарядов разного знака большие скопления вещества, например Земля, в электрическом отношении более или менее нейтральны. Но для больших объектов (в Земле 10⁵¹ атомов) гравитация перекрывает качественно более сильные электромагнитные эффекты за счет количества.

Большой сдвиг в понимании особенностей электромагнитных сил совершился благодаря выдающемуся физику Джеймсу Кларку Максвеллу (1873), объединившему результаты экспериментальных исследований Эрстеда, Фарадея, Ленца и др. Он получил систему уравнений, которая верно описывает взаимосвязь между движением заряженных частиц и поведением электромагнитных сил (Л. Больцман по поводу уравнений Максвелла выразился словами Гете «Начертан этот знак не бога ли рукой!»). Было введено понятие электромагнитного поля.

Физики XIXвека были склонны описывать поле по аналогии с движущейся жидкостью. Это привело к появлению таких терминов, как «магнитный поток» и «силовые линии». Описание поля как жидкости предполагает какую-то среду, через которую действие передается от одного заряда к другому. Такую среду называют «эфиром». Эфир заполняет пустое пространство, и он невидим. Свет представляет собой электромагнитные волны, существование которых предсказал Максвелл, они вызваны движением заряженных частиц и распространяются в пространстве как колебания эфира.