Время (физика) – это… Что такое Время (физика)?
| Сейчас — 9 июня 2009, 02:30 (UTC) |
|---|
Время — одно из основных понятий физики и философии, одна из координат пространства-времени, вдоль которой протянуты мировые линии физических тел, а также сознание.
В диалектическом материализме время — это объективно реальная форма существования движущейся материи, характеризующая последовательность развёртывания материальных процессов, отделённость друг от друга разных стадий этих процессов, их длительность, их развитие.
В количественном (метрологическом) смысле понятие время имеет два аспекта:
Свойства времени
В классической физике, время — непрерывная величина, априорная характеристика мира, ничем не определяемая. В качестве основы измерения просто берётся некая последовательность событий, про которую считается несомненно верным, что она происходит через равные промежутки времени, то есть периодична. Именно на этом принципе и основаны часы. Такая же роль времени и в квантовой механике: несмотря на квантование почти всех величин, время осталось внешним, неквантованным параметром. В обоих случаях «скорость течения времени» не может ни от чего зависеть, а потому тавтологически равна константе.
В релятивистской физике ситуация кардинально меняется. Время рассматривается как часть единого пространства-времени, и, значит, может меняться при его преобразованиях. Можно сказать, что время становится четвёртой координатой, правда, в отличие от пространственных координат, она обладает противоположной сигнатурой. «Скорость течения времени» становится понятием «субъективным», зависящим от системы отсчёта. Ситуация усложняется в общей теории относительности, где «скорость течения времени» зависит также и от близости к гравитирующим телам.
Физическая интерпретация вышеназванных теорий требует нового определения времени, как числа процессов в системе отсчёта, произошедших одновременно с данным процессом. Система отсчёта времени может быть неравномерная (как процесс вращения Земли вокруг Солнца) или равномерная. Эталон секунды — период излучения, соответствующий переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133 при отсутствии возмущения внешними полями.
В этом контексте в некоторых гипотезах выделяют такое элементарное «мгновение» — хронон[1], соответствующее понятию планковское время и являющееся согласно этим гипотезам квантом времени, то есть его мельчайшей неделимой частицей, и составляющее примерно 5,3×10
Отсчёт времени
Как в классической, так и в релятивистской физике для отсчёта времени используется временна́я координата пространства-времени, причём (традиционно) принято использовать знак «+» для будущего, а знак «-» — для прошлого. Однако смысл временно́й координаты в классическом и релятивистском случае различен (см. Ось времени).
См. также:
Зависимость от времени
Поскольку состояния всего нашего мира зависят от времени, то и состояние какой-либо системы тоже может зависеть от времени, как обычно и происходит. Однако в некоторых исключительных случаях зависимость какой-либо величины от времени может оказаться пренебрежимо слабой, так что с высокой точностью можно считать эту характеристику независящей от времени. Если такие величины описывают динамику какой-либо системы, то они называются
Различные физические явления можно разделить на три группы
- стационарные — явления, основные характеристики которых не меняются со временем. Фазовый портрет стационарного явления описывается неподвижной точкой.
- нестационарные — явления, для которых зависимость от времени принципиально важна. Фазовый портрет нестационарного явления описывается движущейся по некоторой траектории точкой. Они, в свою очередь, делятся на
- периодические — если в явлении наблюдается чёткая периодичность (фазовый портрет — замкнутая кривая)
- квазипериодические — если они не являются в строгом смысле периодическими, но в малом масштабе выглядят как периодические (фазовый портрет — почти замкнутая кривая)
- хаотические — апериодические явления (фазовый портрет — незамкнутая кривая, заметающая некоторую площадь более или менее равномерно, аттрактор).
- квазистационарные — явления, которые, строго говоря, нестационарны, но характерный масштаб их эволюции много больше тех времён, которые интересуют в задаче.
Направленность времени
Большинство современных учёных полагают, что различие между прошлым и будущим является принципиальным. Согласно современному уровню развития науки, информация переносится из прошлого в будущее, но не наоборот. Второе начало термодинамики указывает также на накопление в будущем энтропии.
Впрочем, некоторые ученые думают немного иначе. Стивен Хокинг в своей книге «Краткая история времени: от Большого взрыва до чёрных дыр» оспаривает утверждение, что для физических законов существует различие между направлением «вперёд» и «назад» во времени. Хокинг обосновывает это тем, что передача информации возможна только в том же направлении во времени, в котором возрастает общая энтропия Вселенной. Таким образом, Второй закон термодинамики является тривиальным, так как энтропия растет со временем, потому что мы измеряем время в том направлении, в котором растет энтропия
Единственность прошлого считается весьма правдоподобной. Мнения учёных касательно наличия или отсутствия различных «альтернативных» будущих различны[3].
Единицы измерения времени
Хронологически обособленные временные отрезки
В геологии
В истории
Метрология
Средства отсчёта текущего времени (автономные)
Централизованные способы определения текущего времени
- По телефону с помощью службы точного времени
- По телевизору или бытовому радиоприёмнику, используя аудио- или визуальные сигналы точного времени, передаваемые вещательными службами
- По компьютеру с помощью специальных сетевых сервисов в Интернете и локальных сетях (например, таких как
Ученые создали математическую модель, доказывающую возможность отправиться в прошлое. “Парадокса дедушки” при этом не возникнет
- Карлос Серрано
- BBC News Mundo
Автор фото, Getty
Подпись к фото,В какое прошлое вы бы отправились, если бы могли?
Представьте, что у вас имеется машина времени, при помощи которой можно отправиться в конец 2019 года и предотвратить пандемию Covid-19.
Ваша задача в том, чтобы встретить “нулевого пациента” перед тем, как он заразится и начнет распространять коронавирус.
Звучит заманчиво, не так ли? Проблема в маленькой детали, которая может помешать вам выполнить эту миссию.
Действительно, некоторые толкования теоретической физики говорят в пользу того, что путешествие в прошлое возможно.
Эйнштейн, к примеру, знал, что его уравнения в принципе допускают перемещение во времени.
Однако данная гипотетическая возможность наталкивается на так называемый временной парадокс: противоречие, которое делает возврат в прошлое логически невозможным.
Автор фото, Getty
Внук, убивающий деда
Если внук в прошлом убьет своего дедушку до того, как тот обзаведется семьей, то не родятся ни отец путешественника во времени, ни следовательно, он сам. Но тогда некому окажется отправиться в прошлое, и дедушка останется жив. Соответственно, через какое-то время появится на свет злонамеренный путешественник, который отправится в прошлое убивать деда – это и создает парадокс.
Вернемся к истории с пандемией.
Если вы не допустите заражения нулевого пациента, сразу возникнет парадокс: в настоящем пандемии не будет, следовательно, у вас не возникнет мотив путешествовать в прошлое и вы не предотвратите пандемию.
Подобные ситуации остаются излюбленной темой фантастов.
В знаменитом рассказе Рэя Брэдбери “И грянул гром” герой, отправившись в прошлое нечаянно наступает на бабочку, а в настоящем, куда он возвращается, это меняет результат президентских выборов.
Замкнутый цикл логических противоречий вроде бы делает возможность путешествия в прошлое иллюзорной.
Однако новое исследование доказывает, что парадокс можно обойти.
Автор фото, Getty
От судьбы не уйдешь?
Прежде этого пытались добиться путем логических построений. Парадокс разрешался, например, теорией о том, что каждый раз, меняя прошлое, путешественник создает альтернативную ветку истории, в которой он возвращается в измененный его действиями мир, а не в то настоящее, из которого он отбыл (как в трилогии “Назад в будущее”, например, или в “Терминаторе”). Другая гипотеза говорит о том, что раз путешественник сумел отправиться на роковую встречу с родным дедом, значит убить его у него уже никак не получится, несмотря на все старания.
Теперь же два австралийских ученых предложили математическое решение проблемы.
Студент физического факультета университета Квинсленда Жермен Тобар и его научный руководитель профессор Фабио Коста теоретически рассчитали, как поведет себя тело, перемещающееся во времени и пространстве, при вхождении в кривую путешествия в прошлое.
Созданная ими математическая модель показывает, что объект, путешествующий в прошлое и обратно, может двигаться разными путями, но неизменно придет в определенную точку.
Таким образом, согласно математически выкладкам, действия, совершенные в прошлом, не влияют на настоящее.
“События постоянно приспосабливаются друг к другу таким образом, чтобы прийти к одному неизменному результату”, – рассказал Би-би-си Жермен Тобар.
Это значит, что в случае с пандемией вы, обладая свободой воли, могли бы делать в прошлом что угодно, но никак не изменили бы конечный исход.
Если бы вам удалось уберечь от рокового шага “нулевого пациента”, то заразился бы кто-то другой, или даже вы сами.
Согласно модели Тобара, события по отдельности могут варьироваться, но в совокупности будут совершаться так, чтобы избежать парадокса и привести к тому же результату, в данном случае, к пандемии.
Автор фото, Getty
Лучше понять Вселенную
Разумеется, работа Тобара – математическая абстракция, пока не имеющая практического применения.
“Это интересное исследование”, – сказал Би-би-си Крис Февстер, профессор математики в Йоркском университете, также изучающий теоретические аспекты перемещения во времени.
Он, однако, замечает, что надо посмотреть, соответствуют ли абстрактные допущения, положенные авторами в основу их модели, известным на сегодня физическим теориям.
Автор фото, Getty
Тобар говорит, что занят сейчас именно этим – проверкой математической модели с точки зрения физики.
Он признает, что его работа далека от того, чтобы сделать путешествия в прошлое реальностью, но видит в ней шаг к лучшему пониманию законов, управляющих Вселенной.
Урок 20. постулаты специальной теории относительности (сто) – Физика – 11 класс
Физика, 11 класс
Урок №20. Постулаты специальной теории относи-тельности (СТО)
Основные вопросы, рассматриваемые в теме: событие, постулат, собственная инерциальная система отсчёта, собственное время, собственная длина тела, масса покоя, инвариант; причины появления СТО; постулаты СТО: инвариантность модуля скорости света в вакууме, принцип относительности Эйнштейна.
Глоссарий:
Специальная теория относительности (СТО) – физическая теория, рассматривающая пространственно-временные закономерности, справедливые для любых физических процессов.
Событие – физическое явление, которое происходит в определённый момент времени в данной точке пространства.
События могут происходить в одно и тоже время и их называют одновременными. Если координаты событий совпадают, то события называют одноместными.
Инерциальные системы отсчёта (ИСО) – это системы отсчёта, в которых выполняется первый закон Ньютона – закон инерции.
Два постулата теории:
1. Все физические явления протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчёта.
2. Скорость света в вакууме одинакова во всех инерциальных системах отсчёта.
Постулат – это основное положение, которое не может быть логически доказано, а является результатом обобщения всех опытов.
Время, отсчитываемое покоящимися в ИСО часами, называется собственным временем.
Длину тела L0, относительно которого оно в ИСО находится в покое называют собственной длиной.
Массой покоя m0, называют массу тела в состоянии покоя относительно ИСО.
Скорость света c и собственное время Δτ инвариантны в любых ИСО.
Список основной и дополнительной литературы по теме:
- Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика.11 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 229 – 238.
- Рымкевич А.П. Физика. Задачник. 10-11 классы. – М.: Дрофа, 2013. — С. 147 – 148
- Анциферов Л.И., Физика: электродинамика и квантовая физика. 11кл. Учебник для общеобразовательных учреждений – М.: Мнемозина, 2001. – С. 242-253.
- Айзексон У., Эйнштейн. Жизнь гения; пер. с анг. А.Ю. Каннуниковой. – М: АСТ, 2016 – С.16-25
Теоретический материал для самостоятельного изучения
Человек, открывший новый взгляд на пространство и время мыслил образами. Альберт Эйнштейн всегда твёрдо верил, что именно воображение способно проникнуть в суть, в глубину, в основу сущего. Он никогда не заучивал теорию, он представлял её образами. В детстве Эйнштейну привили интерес к математике, естествознанию. Одной из любимых книг Альберта была книга Аарона Бернштейна «Популярные книги по естественной истории». От описаний научных историй у 12 летнего Эйнштейна захватывало дух. Мысленные эксперименты были самым занимательным в книгах Бернштейна.
В 1895 году Эйнштейну повезло, в 16-летнем возрасте, провалив экзамены в Цюрихский политехникум по французскому языку, литературе, политике и зоологии, но легко справившись с математикой и естествознанием, он поступил в сельскую школу Арау. Образование здесь строилось на методах, разработанных Иоганном Песталоцци, на проведении мысленных экспериментов, на более глубоком понимании явлений и ситуаций. Это были первые шаги на пути формирования специальной теории относительности (СТО).
Теория относительности – физическая теория, рассматривающая пространственно-временные закономерности, справедливые для любых физических процессов.
В теории относительности часто будет использовано понятие «событие». Событием будем называть физическое явление, которое происходит в определённый момент времени в данной точке пространства.
В движущемся поезде, вывешенная в центре, вспыхивает лампочка в точке О – это одно событие. Свет от лампочки достигает точку А в одном конце помещения – это другое событие, а также достигает противоположного конца помещения в точке В – то третье событие.
События могут происходить в одно и тоже время и их называют одновременными. Если координаты событий совпадают, то события называют одноместными. При этом учитываем, что реальные тела имеют размеры и события разворачиваются во времени.
Одновременно ли достигнет свет две противолежащие точки А и В? Ведь корабль движется со скоростью в одном направлении и одна стенка приближается к летящему свету, а другая отдаляется.
Классический закон сложения скоростей не работает в описании распространения электромагнитного излучения от источника света.
Чтобы ответить на эти вопросы, необходимо выяснить, меняются ли основные законы электродинамики при переходе одной инерциальной системы отсчёта к другой, или же подобно принципам относительности Галилея и законам Ньютона, они остаются неизменными.
Принцип относительности Галилея.
Инерциальные системы отсчёта (ИСО) – это системы отсчёта, в которых выполняется первый закон Ньютона – закон инерции. Системы, которые ускоряются или вращаются называют неинерциальными. Система отсчёта, движущаяся равномерно и прямолинейна относительно ИСО, также инерциальная. Земля не совсем инерциальная система отсчёта, так как она вращается, но для большинства наших примеров, будем считать её инерциальной.
К началу XX века в физике накопилось много наблюдений и опытов, которые не могли быть объяснены классическими теориями. В XVII – XIX веках большое место в теории отводилось гипотезе о существовании эфира. Эфир представляли себе, как занимающая всё пространство упругая среда, с помощью которой осуществляется взаимодействие между телами, благодаря которой распространяются волны звуковые, световые, электромагнитные. Считалось естественным связывать абсолютную систему отсчёта с мировым эфиром. Этой теории придерживался и основатель электронной теории Х. Лоренц и Г.Герц. Однако эксперименты, поставленные в 1881 году учёными А. Майкельсоном, Э.Морли и А.Физо об изотропности света, приводили к противоположным результатам. В опытах по изучению распространения света, А.Физо с помощью оптических приборов находил подтверждение, существования эфира. Опыты Майкельсона существование «эфирного ветра», то есть преимущественной системы отсчёта или «светового эфира» не подтверждали, за что подверглись критике со стороны прославленного учёного Х.Лоренца.
Но противоречия в опытах классическими законами уже невозможно было объяснить. Эйнштейн, изменяя классические законы механики, а не законы электродинамики Максвелла, предложил наиболее революционный способ описания явлений в пространстве и времени. Из теории Максвелла следовало, что электромагнитные волны, в отличие от механических волн, могут распространяться в вакууме и подчиняются законам электромагнетизма, что свет – это электромагнитная волна и скорость света:
У Максвелла не было оговорок по поводу относительности скорости света.
И в 1905 году появилась работа А. Эйнштейна «К электродинамике движущихся сред», в которой излагались идеи новой теории – специальной теории относительности.
В основу теории были положены два постулата*:
- Все физические явления протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчёта, или никакими опытами, проводимыми в инерциальной системе отсчёта, невозможно установить её движение относительно других инерциальных систем.
- Скорость света в вакууме одинакова во всех инерциальных системах отсчёта. Она не зависит от ни от скорости источника света, ни от скорости светового приёмника сигнала.
Постулат – это основное положение, которое не может быть логически доказано, а является результатом обобщения всех опытов. В физической теории выполняет ту же роль, что и аксиома в математике.
Скорость света занимает особое положение в этой теории, распространение света в вакууме является максимально возможной скоростью передачи взаимодействий в природе.
С точки зрения классической физики первый и второй постулаты входят в противоречия друг с другом. По первому постулату законы механики (как частный случай законов физики) справедливы во всех ИСО. Следовательно, справедлив и закон сложения скоростей. Однако второй постулат противоречит классическому закону сложения скоростей. Значит, в СТО нельзя пользоваться преобразованиями Галилея. Заменив преобразования Галилея на преобразования Лоренца, Эйнштейн устранил кажущееся противоречие между постулатами, что позволило объяснить многие опыты по электродинамике и оптике.
Независимость скорости света от источника много раз проверялись на опытах. Советские учёные А.М. Бонч-Бруевич и В.А. Молчанов в 1955 году проводили опыты, измеряя скорости света от правого и левого краёв Солнца (один из которых из-за осевого вращения Солнца приближается к нам со скоростью 2,3 км/с, а другой с такой же скоростью удаляется). Учёные, проведя расчёты, пришли к выводу, что скорости распространения света с обоих концов одинаковы.
Преобразования Лоренца, которые использовал Эйнштейн, заменив преобразования Галилея, для описания распространения света в системе координат:
Если скорость намного меньше скорости света , то отношение квадратичной скорости движения системы к квадрату скорости света намного меньше 1 и величиной можно пренебречь. Тогда мы переходи к преобразованиям Галилея:
Новая теория раскрыла более глубокую физическую реальность и включает старую как предельный (частный) случай, который называют принципом соответствия.
Иначе это можно объяснить так: классическая механика (механика Ньютона) является частным случаем более общей механики, описывающих процессы в разных инерциальных системах отсчёта с учётом преобразований Лоренца.
Мы ещё неоднократно убедимся, что при малых скоростях, намного меньших, чем скорость света законы СТО переходят в законы классической механики.
Существование предельной конечной скорости изменяет наши привычные представления о пространстве и времени. Представление об абсолютном времени, которое течёт с навсегда заданным темпом, оказывается неверным.
Следствия постулатов относительности:
- Относительность одновременности
Рассмотрим простой метод синхронизации часов. Допустим, что космонавт хочет узнать, одинаково ли идут часы в разных концах корабля в точках А и В. С помощью источника света в центре корабля производят вспышку света, если часы идут синхронно, по показания на часах будут одинаковы при приёме света. Но так будет только в движущейся системе отсчёта К1, связанной с кораблём. И так же, как и в первом случае, вспышка для наблюдателя, находящегося в системе отсчёта К (неподвижная система), часы будут удалятся от вспышки света, и излучению нужно пройти большее расстояние, значит и время должно зафиксироваться отличное от часов в точке В. Вывод наблюдателя в системе отсчёта К: сигналы достигают часов не одновременно.
Время, отсчитываемое покоящимися в ИСО часами, называется собственным временем и обозначают буквой τ (тау). Промежуток времени между событиями по часам наблюдателя, находящегося внутри объекта (ИСО К1). Промежуток времени между теми же событиями по часам наблюдателя относительно которой удаляется обозначим Δt. Между этими промежутками существует соотношение:
Это означает, что часы, движущиеся относительно ИСО идут медленнее, неподвижных часов и показывают меньший промежуток времени между событиями (замедление времени).
Преобразовав выражение Δt, получим:
А так как скорость света c постоянна и собственное время Δτ неизменно для данного события, то есть инвариантны, то получим:
Наряду с протонами и нейтронами в природе существуют мюоны – элементарные частицы. Мюоны могут образовываться в атмосфере Земли. Но мюоны не стабильны и довольно быстро распадаются, превращаясь в другие элементарные частицы. В лаборатории, где мюоны практически покоятся, среднее время их жизни Δτ =2·10-6с. Вычисляя скорость и другие параметры мюонов, физики обнаружили, что мюоны в атмосфере Земли (без распада) могут пройти расстояние 6 км за время Δt =2·10-5с. Это означает, что время жизни движущегося мюона в системе «Земля» в 10 раз больше собственного времени жизни Δτ.
Рассмотрим ещё один парадокс: относительность расстояний или размеров тела. Допустим, что в космическом корабле измеряют длину стержня, расположенного вдоль направления скорости. Длину стержня внутри корабля, относительно которого он находится в покое обозначим L0 и назовём собственной длиной. При этом расчёты показывают, что линейный размер тела, движущегося относительно ИСО уменьшается в направлении движения.
Закон сложения скоростей в СТО записывается так:
𝟅 – скорость тела, относительно неподвижной системы отсчёта,
𝟅´ – скорость относительно подвижной системы отсчёта,
v – скорость подвижной системы отсчёта относительно неподвижной,
c – скорость света.
При скоростях движения намного меньших, чем скорость света закон сложения скоростей переходит в классический, а длина тела и интервал времени становятся одинаковыми в неподвижной и движущейся системах отсчёта.
Даже масса, такое непоколебимое в нашем представлении значение, меняет свои параметры в движущейся системе относительно неподвижной ИСО. Собственную массу тела, находящегося в состоянии покоя, относительно ИСО, называют m0 массой покоя.
Сам А. Эйнштейн говорил о том, что правильнее было бы называть его теорию относительности теорией абсолютности, так как в основе её заложена идея абсолютности во всех инерциальных системах отсчёта.
Примеры и разбор заданий
1. Две частицы удаляются друг от друга, имея скорость 0,6с каждая, относительно земного наблюдателя. Относительная скорость частиц составляет ______скорости света.
Решение:
Дано: 𝟅´ = 0,6 с, v = – 0,6 с.
Найти: 𝟅.
Решение:
Для решения задачи, необходимо перейти в ИСО, связанную с одной из частиц. Пусть частицы движутся вдоль одной прямой, в противоположные стороны. Используем закон сложения скоростей СТО:
𝟅 – скорость частицы, относительно неподвижной системы отсчёта,
𝟅´ – скорость частицы относительно подвижной системы отсчёта,
v – скорость подвижной системы отсчёта относительно неподвижной,
c – скорость света.
Примем скорость v = – 0,6с одной частицы за положительное значение, скорость 𝟅´ = 0,6с. Тогда формула примет вид:
Ответ значения скорости частицы будет корректен относительно скорости света, а не в м/с или км/с.
Ответ: 0,882 с.
1. Масса протона, летящего со скоростью 1,3·108 м/с, составляет_____ а.е.м. Массу покоя протона считать равной 1 а.е.м.
Решение:
Дано:
𝟅 = 1,3·108 м/с,
m0 = 1а.е.м.
Найти: m.
Решение:
В атомной и ядерной физике для выражения массы пользуются специальной внесистемной единицей – атомной единицей массы (а.е.м.), равной 1/12 массы атома углерода.
1 а.е.м. = 1,66057·10-27кг.
Подставим числовые значения в формулу определения массы частицы, движущейся относительно неподвижной ИСО:
Ответ: 1,11 а.е.м.
Шкала температуры. Шкала Цельсия, Фаренгейта, Кельвина, Реомюра
История
Слово «температура» возникло в те времена, когда люди считали, что в более нагретых телах содержится большее количество особого вещества — теплорода, чем в менее нагретых. Поэтому температура воспринималась как крепость смеси вещества тела и теплорода. По этой причине единицы измерения крепости спиртных напитков и температуры называются одинаково — градусами.
Из того, что температура – это кинетическая энергия молекул, ясно, что наиболее естественно измерять её в энергетических единицах (т.е. в системе СИ в джоулях). Однако измерение температуры началось задолго до создания молекулярно-кинетической теории, поэтому практические шкалы измеряют температуру в условных единицах — градусах.
Шкала Кельвина
В термодинамике используется шкала Кельвина, в которой температура отсчитывается от абсолютного нуля (состояние, соответствующее минимальной теоретически возможной внутренней энергии тела), а один кельвин равен 1/273.16 расстояния от абсолютного нуля до тройной точки воды (состояния, при котором лёд, вода и водяной пар находятся в равновесии). Для пересчета кельвинов в энергетические единицы служит постоянная Больцмана. Используются также производные единицы: килокельвин, мегакельвин, милликельвин и т.д.
Шкала Цельсия
В быту используется шкала Цельсия, в которой за 0 принимают точку замерзания воды, а за 100° точку кипения воды при атмосферном давлении. Поскольку температура замерзания и кипения воды недостаточно хорошо определена, в настоящее время шкалу Цельсия определяют через шкалу Кельвина: градус Цельсия равен кельвину, абсолютный ноль принимается за −273,15 °C. Шкала Цельсия практически очень удобна, поскольку вода очень распространена на нашей планете и на ней основана наша жизнь. Ноль Цельсия — особая точка для метеорологии, поскольку замерзание атмосферной воды существенно всё меняет.
Шкала Фаренгейта
В Англии и, в особенности, в США используется шкала Фаренгейта. В этой шкале на 100 градусов раздёлен интервал от температуры самой холодной зимы в городе, где жил Фаренгейт, до температуры человеческого тела. Ноль градусов Цельсия — это 32 градуса Фаренгейта, а градус Фаренгейта равен 5/9 градуса Цельсия.
В настоящее время принято следующее определение шкалы Фаренгейта: это температурная шкала, 1 градус которой (1 °F) равен 1/180 разности температур кипения воды и таяния льда при атмосферном давлении, а точка таяния льда имеет температуру +32 °F. Температура по шкале Фаренгейта связана с температурой по шкале Цельсия (t °С) соотношением t °С = 5/9 (t °F – 32), то есть изменение температуры на 1 °F соответствует изменению на 5/9 °С. Предложена Г. Фаренгейтом в 1724.
Шкала Реомюра
Предложенна в 1730 году Р. А. Реомюром, который описал изобретённый им спиртовой термометр.
Единица — градус Реомюра (°R), 1 °R равен 1/80 части температурного интервала между опорными точками — температурой таяния льда (0 °R) и кипения воды (80 °R)
1 °R = 1,25 °C.
В настоящее время шкала вышла из употребления, дольше всего она сохранялась во Франции, на родине автора.
|
Пересчёт температуры между основными шкалами |
|||
|
|
Кельвин |
Цельсий |
Фаренгейт |
|
Кельвин (K) |
= K |
= С + 273,15 |
= (F + 459,67) / 1,8 |
|
Цельсий (°C) |
= K − 273,15 |
= C |
= (F − 32) / 1,8 |
|
Фаренгейт (°F) |
= K · 1,8 − 459,67 |
= C · 1,8 + 32 |
= F |
Сравнение температурных шкал
|
Описание |
Кельвин | Цельсий |
Фаренгейт |
Ньютон | Реомюр |
|
Абсолютный ноль |
0 |
−273.15 |
−459.67 |
−90.14 |
−218.52 |
|
Температура таяния смеси Фаренгейта (соли и льда в равных количествах) |
255.37 |
−17.78 |
0 |
−5.87 |
−14.22 |
| Температура замерзания воды (нормальные условия) |
273.15 |
0 |
32 |
0 |
0 |
|
Средняя температура человеческого тела¹ |
310.0 |
36.8 |
98.2 |
12.21 |
29.6 |
|
Температура кипения воды (нормальные условия) |
373.15 |
100 |
212 |
33 |
80 |
| Температура поверхности Солнца |
5800 |
5526 |
9980 |
1823 |
4421 |
¹ Нормальная температура человеческого тела — 36.6 °C ±0.7 °C, или 98.2 °F ±1.3 °F. Приводимое обычно значение 98.6 °F – это точное преобразование в шкалу Фаренгейта принятого в Германии в XIX веке значения 37 °C. Поскольку это значение не входит в диапазон нормальной температуры по современным представлениям, можно говорить, что оно содержит избыточную (неверную) точность. Некоторые значения в этой таблице были округлены.
Сопоставление шкал Фаренгейта и Цельсия
(oF – шкала Фаренгейта, oC – шкала Цельсия)
|
oF |
oC |
|
oF |
oC |
|
oF |
oC |
|
oF |
oC |
|
-459.67 |
-273.15 |
|
-60 |
-51.1 |
|
-4 |
-20.0 |
|
20 |
-6.7 |
Для перевода градусов цельсия в кельвины необходимо пользоваться формулой T=t+T0 где T- температура в кельвинах, t- температура в градусах цельсия, T0=273.15 кельвина. По размеру градус Цельсия равен Кельвину.
1. Значение и место ядерной физики
Предмет ядерной физики
Ядерная физика изучает:
- структуру и свойства ядер;
- законы изменения и превращения ядер;
- свойства ядерных сил;
- закономерности ядерных реакций;
- взаимодействие ядерного излучения с веществом;
- физику элементарных частиц.
Ядерная физика обогатила науку новыми знаниями и позволила глубже проникнуть в тайны природы. Идеи и факты, полученные при изучении ядерных процессов, меняют наши представления об окружающем мире. Концепции, развитые в ядерной физике, позволили понять образование химических элементов и их изотопов, процессы энергетики Солнца, параметры нейтронных звезд и многое другое. Ядерная физика нашла широкое применение в энергетике, в различных областях науки, ускорила научно-технический прогресс.
Ядерная физика оказала существенное влияние на мировоззрение людей. Наличие арсенала ядерного оружия оказывает влияние на внешнюю и внутреннюю политику государств.
Ядерная физика проникла в различные области знаний и должна быть известна не только физикам. Знания основных закономерностей ядерной физики обогатят инженеров и научно-технических работников многих специальностей. Химик и геолог, использующие ядерные методы анализа; медик, применяющий радиоактивные препараты в диагностике или лечении заболеваний, или инженер, проектирующий АЭС, не испытывают необходимости в понятии изоспинового пространства или электронн-мюонной универсальности. Однако их работа будет более плодотворной, если они будут знакомы с основами ядерной физики.
Основные этапы развития ядерной физики:Последующие годы посвящены построению единой теории, объединяющей сильные, электромагнитные и слабые взаимодействия.
Масштабы и единицы измерений физических величинОбъекты микромира – атомы, ядра и элементарные частицы подчиняются законам в значительной мере отличающимся от законов макромира.
Все законы, действующие в микромире, распространяются и на макромир. Однако, благодаря другому масштабу физических объектов форма и особенности этих законов изменяется и принимают вид хорошо известных законов макромира. Таким образом, квантово механические законы микромира являются более общими. Однако для объектов макромира они дают уточняющие поправки к классической механике, которые являются очень малыми и несущественными.
Представление о порядке величин, встречающихся при изучении различных объектов, даёт рисунок 1.1 (а, б, в).
Рассмотрим масштабы и единицы величин, характерных для ядерной физики.
Длина. Радиус атома имеет величину порядка 10−8 см. Эта величина характеризует радиус орбиты наружных электронов. Радиус ядра имеет величину порядка 10−12 −10−13 см. Расстояние 10−13 см получило название 1 ферми (фм).
Энергия. В качестве единицы энергии широко используется электронвольт (эВ). 1 эВ представляет собой энергию, приобретаемую электроном, ускоренным разностью потенциалов в 1 вольт. Энергия связи протонов и нейтронов в ядре равна в среднем 8×106эВ = 8 МэВ.
Масса. Масса отражает инерционные и гравитационные свойства частиц. Массой определяется также имеющийся в частице запас энергии. Согласно специальной теории относительности, энергия E, масса m и импульс свободной частицы p связаны следующим соотношением:
| Е2 = р2с2 + m2c2. | (1.1) |
Связ между энергией, массы и импульсом показывает, что полная энергия частицы состоит из двух частей: независимой от движения (энергии покоя mc2) и зависящей от импульса. Если частица не имеет массы покоя, то связь между энергией и импульсом имеет вид:
| Е = рс. | (1.2) |
Если частица с неравной нулю массой покоя покоится, то мы имеем знаменитую формулу:
| Е = mc2. | (1.3) |
Именно из рассмотрения последних трех формул ясно, почему в ядерной физике удобны единицы эВ/с2 для массы и эВ/с для импульса.
Масса ядра и атома в ядерной физике часто измеряется в атомных единицах массы. За одну атомную единицу массы (а.е.м.) принимается 1/12 часть массы атома углерода.
| “О специальной теории относительности и о том, как Эйнштейн получил свою знаменитую формулу” |
Особенности физических явлений в микромиреВремя. В ядерной физике, где действуют законы микромира, и масштабы времен отличаются от привычных нам. Характерным или ядерным временем принято считать время, за которое частица, движущаяся со скоростью света, пересечет ядро по диаметру. Оно принимается равным 10−23 с.
Дискретность. Основные параметры элементарных частиц, такие как масса и заряд, для каждого рода частиц являются неизменными и строго определенными. Принцип тождественности частиц является характерной чертой микромира и атомизма.
Атомы и ядра являются сложными частицами. Однако, поскольку они состоят из вполне определенных элементарных частиц, их параметры также обладают квантовыми (дискретными) свойствами. Ядро, состоящее из протонов и нейтронов, характеризуется рядом параметров. Изменяться эти параметры могут только скачкообразно (дискретно). Это совершенно понятно для таких параметров как масса и заряд. Однако и внутренне энергетическое состояние ядра изменяется только дискретно. Состояние с наименьшей возможной энергией называется основным или нормальным (основным). Остальные состояния с большими энергиями называются возбужденными. Дискретность состояний сложных частиц является одной из важнейших особенностей микромира. Она доказана прямыми опытами Франка и Герца по упругому и неупругому рассеянию электронов, опытами Штерна и Герлаха по измерению магнитных моментов атомов и другими.
Корпускулярно-волновой дуализм. Новым отличительным свойством, обнаруженным у частиц микромира, является одновременное наличие у одной и той же частицы как корпускулярных, так и волновых свойств. Впервые дуализм был обнаружен у квантов электромагнитного излучения, а позднее у электронов и других элементарных частиц. Более подробную информацию, вы можете скачать здесь (ресурс корпоративной сети ТПУ).
Согласно теории М. Планка энергия кванта электромагнитного излучения определяется соотношением:
E = hν, (1.4) С позиций классической механики свойства частицы и свойства волны несовместимы. В поисках выхода Луи де Бройль выдвигает гипотезу, согласно которой каждой частице с импульсом p можно поставить в соответствие некоторую волну с длиной λ, частотой и волновым числом k = 2π / λ. Соотношение де Бройля можно записать в следующем виде:
λp = h. (1.5) Дальнейшее развитие вопроса о дуализме привело к созданию квантовой теории поля, которая обобщает выводы о корпускулярной и волновой природе частиц. Более подробную информацию вы можете посмотреть здесь (ресурс корпоративной сети ТПУ).
Соотношения неопределенностей. Доказанный экспериментально корпускулярно волновой дуализм проявил сложности в описании состояния системы частиц. По законам классической механики всякая частица в любой момент времени занимает строго определенное место в пространстве и обладает определенным импульсом. Волновые свойства вносит значительные ограничения в возможность такого описания системы микрочастиц. Эти свойства вносят неопределенность в описание параметров частиц.
Квантовая механика показала, что неопределенности в координате (Δx) и в импульсе (Δp) связаны соотношением неопределенности Гейзенберга:
| Δx∙Δp ≥ ћ. | (1.6) |
Это соотношение показывает, что в квантовой механике утрачивается привычное представление о траектории.
Кроме соотношения неопределенности для координаты и импульса, в квантовой физике существует связанное с ним соотношение неопределенности для энергии E и времени t:
ΔE∙Δt ≥ ћ. (1.7) Энергия системы, находящейся в возбужденном состоянии в течение времени Δt, не может иметь точного значения. Неопределенность величины энергии ΔE называется шириной возбужденного уровня. Время Δt, в течение которого атом находится в возбужденном состоянии, называется средним временем жизни. Чем меньше среднее время жизни атома в данном состоянии, тем больше неопределенность в энергии этого состояния. Более подробную информацию, вы можете скачать здесь (ресурс корпоративной сети ТПУ).
Связь ядерной физики и квантовой механики очевидна.
| “Об обитателях микромира и о законах, которым подчиняются микрочастицы” |
Скорость движения в физике
Скорость является одной из основных характеристик механического движения. Она выражает саму суть движения, т.е. определяет то отличие, которое имеется между телом неподвижным и телом движущимся.
Единицей измерения скорости в системе СИ является м/с.
Важно помнить, что скорость – величина векторная. Направление вектора скорости определяется по траектории движения. Вектор скорости всегда направлен по касательной к траектории в той точке, через которую проходит движущееся тело (рис.1).
К примеру, рассмотрим колесо движущегося автомобиля. Колесо вращается и все точки колеса движутся по окружностям. Брызги, разлетающиеся от колеса, будут лететь по касательным к этим окружностям, указывая направления векторов скоростей отдельных точек колеса.
Таким образом, скорость характеризует направление движения тела (направление вектора скорости) и быстроту его перемещения (модуль вектора скорости).
Отрицательная скорость
Может ли скорость тела быть отрицательной? Да, может. Если скорость тела отрицательна, это значит, что тело движется в направлении, противоположном направлению оси координат в выбранной системе отсчета. На рис.2 изображено движение автобуса и автомобиля. Скорость автомобиля отрицательна, а скорость автобуса положительна. Следует помнить, что говоря о знаке скорости, мы имеем ввиду проекцию вектора скорости на координатную ось.
Равномерное и неравномерно движение
В общем случае скорость зависит от времени. По характеру зависимости скорости от времени, движение бывает равномерное и неравномерно.
В случае неравномерного движения говорят о средней скорости:
Примеры решения задач по теме «Скорость»
| Понравился сайт? Расскажи друзьям! | |||
Единицы измерения
Этот урок не будет новым для новичков. Все мы слышали со школы такие понятия как сантиметр, метр, километр. А когда речь заходила о массе, обычно говорили грамм, килограмм, тонна.
Сантиметры, метры и километры; граммы, килограммы и тонны носят одно общее название — единицы измерения физических величин.
В данном уроке мы рассмотрим наиболее популярные единицы измерения, но не будем сильно углубляться в эту тему, поскольку единицы измерения уходят в область физики. Сегодня мы вынуждены изучить часть физики, поскольку нам это необходимо для дальнейшего изучения математики.
Единицы измерения длиныДля измерения длины предназначены следующие единицы измерения:
- миллиметры;
- сантиметры;
- дециметры;
- метры;
- километры.
Самая маленькая единица измерения это миллиметр (мм). Миллиметры можно увидеть даже воочию, если взять линейку, которой мы пользовались в школе каждый день
Подряд идущие друг за другом маленькие линии это и есть миллиметры. Точнее, расстояние между этими линиями равно одному миллиметру (1 мм):
Следующая единица измерения это сантиметр (см). На линейке каждый сантиметр обозначен числом. К примеру наша линейка, которая была на первом рисунке, имела длину 15 сантиметров. Последний сантиметр на этой линейке выделен числом 15.
В одном сантиметре 10 миллиметров. Между одним сантиметром и десятью миллиметрами можно поставить знак равенства, поскольку они обозначают одну и ту же длину:
1 см = 10 мм
Вы можете сами убедиться в этом, если посчитаете количество миллиметров на предыдущем рисунке. Вы обнаружите, что количество миллиметров (расстояний между линиями) равно 10.
Следующая единица измерения длины это дециметр (дм). В одном дециметре десять сантиметров. Между одним дециметром и десятью сантиметрами можно поставить знак равенства, поскольку они обозначают одну и ту же длину:
1 дм = 10 см
Вы можете убедиться в этом, если посчитаете количество сантиметров на следующем рисунке:
Вы обнаружите, что количество сантиметров равно 10.
Следующая единица измерения это метр (м). В одном метре десять дециметров. Между одним метром и десятью дециметрами можно поставить знак равенства, поскольку они обозначают одну и ту же длину:
1 м = 10 дм
К сожалению, метр нельзя проиллюстрировать на рисунке, потому что он достаточно великоват. Если вы хотите увидеть метр в живую, возьмите рулетку. Она есть у каждого в доме. На рулетке один метр будет обозначен как 100 см. Это потому что в одном метре десять дециметров, а в десяти дециметрах сто сантиметров:
1 м = 10 дм = 100 см
100 получается путём перевода одного метра в сантиметры. Это отдельная тема, которую мы рассмотрим чуть позже. А пока перейдём к следующей единице измерения длины, которая называется километр.
Километр считается самой большой единицей измерения длины. Есть конечно и другие более старшие единицы, такие как мегаметр, гигаметр тераметр, но мы не будем их рассматривать, поскольку для дальнейшего изучения математики нам достаточно и километра.
В одном километре тысяча метров. Между одним километром и тысячью метрами можно поставить знак равенства, поскольку они обозначают одну и ту же длину:
1 км = 1000 м
В километрах измеряются расстояния между городами и странами. К примеру, расстояние от Москвы до Санкт-Петербурга около 714 километров.
Международная система единиц СИ
Международная система единиц СИ — это некоторый набор общепринятых физических величин.
Основное предназначение международной системы единиц СИ — достижение договоренностей между странами.
Мы знаем, что языки и традиции стран мира различны. С этим ничего не поделать. Но законы математики и физики одинаково работают везде. Если в одной стране «дважды два будет четыре», то и в другой стране «дважды два будет четыре».
Основная проблема заключалась в том, что для каждой физической величины существует несколько единиц измерения. К примеру, мы сейчас узнали, что для измерения длины существуют миллиметры, сантиметры, дециметры, метры и километры. Если несколько ученых, говорящих на разных языках, соберутся в одном месте для решения какой-нибудь задачи, то такое большое многообразие единиц измерения длины может породить между этими учеными противоречия.
Один ученый будет заявлять, что в их стране длина измеряется в метрах. Второй может сказать, что в их стране длина измеряется в километрах. Третий может предложить свою единицу измерения.
Поэтому была создана международная система единиц СИ. СИ это аббревиатура от французского словосочетания Le Système International d’Unités, SI (что в переводе на русский означает — международная система единиц СИ).
В СИ приведены наиболее популярные физические величины и для каждой из них определена своя общепринятая единица измерения. К примеру, во всех странах при решении задач условились, что длину будут измерять в метрах. Поэтому, при решении задач, если длина дана в другой единице измерения (например, в километрах), то её обязательно нужно перевести в метры. О том, как переводить одну единицу измерения в другую, мы поговорим немного позже. А пока нарисуем свою международную систему единиц СИ.
Наш рисунок будет представлять собой таблицу физических величин. Каждую изученную физическую величину мы будем включать в нашу таблицу и указывать ту единицу измерения, которая принята во всех странах. Сейчас мы изучили единицы измерения длины и узнали, что в системе СИ для измерения длины определены метры. Значит наша таблица будет выглядеть так:
Единицы измерения массы
Масса – это величина, обозначающая количество вещества в теле. В народе массу тела называют весом. Обычно, когда что-либо взвешивают, говорят «это весит столько-то килограмм», хотя речь идёт не о весе, а о массе этого тела.
Вместе с тем, масса и вес это разные понятия. Вес — это сила с которой тело действует на горизонтальную опору. Вес измеряется в ньютонах. А масса это величина, показывающая количество вещества в этом теле.
Но ничего страшного нет в том, если вы назовёте массу тела весом. Даже в медицине говорят «вес человека», хотя речь идёт о массе человека. Главное быть в курсе, что это разные понятия
Для измерения массы используются следующие единицы измерения:
- миллиграммы;
- граммы;
- килограммы;
- центнеры;
- тонны.
Самая маленькая единица измерения это миллиграмм (мг). Миллиграмм скорее всего вы никогда не примените на практике. Их применяют химики и другие ученые, которые работают с мелкими веществами. Для вас достаточно знать, что такая единица измерения массы существует.
Следующая единица измерения это грамм (г). В граммах принято измерять количество того или иного продукта при составлении рецепта.
В одном грамме тысяча миллиграммов. Между одним граммом и тысячью миллиграммами можно поставить знак равенства, поскольку они обозначают одну и ту же массу:
1 г = 1000 мг
Следующая единица измерения это килограмм (кг). Килограмм это общепринятая единица измерения. В ней измеряется всё что угодно. Килограмм включен в систему СИ. Давайте и мы включим в нашу таблицу СИ ещё одну физическую величину. Она у нас будет называться «масса»:
В одном килограмме тысяча граммов. Между одним килограммом и тысячью граммами можно поставить знак равенства, поскольку они обозначают одну и ту же массу:
1 кг = 1000 г
Следующая единица измерения это центнер (ц). В центнерах удобно измерять массу урожая, собранного с небольшого участка или массу какого-нибудь груза.
В одном центнере сто килограммов. Между одним центнером и ста килограммами можно поставить знак равенства, поскольку они обозначают одну и ту же массу:
1 ц = 100 кг
Следующая единица измерения это тонна (т). В тоннах обычно измеряются большие грузы и массы больших тел. Например, масса космического корабля или автомобиля.
В одной тонне тысяча килограмм. Между одной тонной и тысячью килограммами можно поставить знак равенства, поскольку они обозначают одну и ту же массу:
1 т = 1000 кг
Единицы измерения времени
Что такое время думаем объяснять не нужно. Каждый знает что из себя представляет время и зачем оно нужно. Если мы откроем дискуссию на то, что такое время и попытаемся дать ему определение, то начнем углубляться в философию, а это нам сейчас не нужно. Лучше начнём с единиц измерения времени.
Для измерения времени предназначены следующие единицы измерения:
- секунды;
- минуты;
- часы;
- сутки.
Самая маленькая единица измерения это секунда (с). Есть конечно и более маленькие единицы такие как миллисекунды, микросекунды, наносекунды, но их мы рассматривать не будем, поскольку на данный момент в этом нет смысла.
В секундах измеряются различные показатели. Например, за сколько секунд спортсмен пробежит 100 метров. Секунда включена в международную систему единиц СИ для измерения времени и обозначается как «с». Давайте и мы включим в нашу таблицу СИ ещё одну физическую величину. Она у нас будет называться «время»:
Следующая единица измерения времени это минута (м). В одной минуте 60 секунд. Между одной минутой и шестьюдесятью секундами можно поставить знак равенства, поскольку они обозначают одно и то же время:
1 м = 60 с
Следующая единица измерения это час (ч). В одном часе 60 минут. Между одним часом и шестьюдесятью минутами можно поставить знак равенства, поскольку они обозначают одно и то же время:
1 ч = 60 м
К примеру, если мы изучали этот урок один час и нас спросят сколько времени мы потратили на его изучение, мы можем ответить двумя способами: «мы изучали урок один час» или так «мы изучали урок шестьдесят минут». В обоих случаях, мы ответим правильно.
Следующая единица измерения времени это сутки. В сутках 24 часа. Между одними сутками и двадцатью четырьмя часами можно поставить знак равенства, поскольку они обозначают одно и то же время:
1 сут = 24 ч
Понравился урок?
Вступай в нашу новую группу Вконтакте и начни получать уведомления о новых уроках
Возникло желание поддержать проект?
Используй кнопку ниже
Навигация по записям
Ознакомьтесь с семью константами, определяющими СИ. Следующие семь определений базовых единиц СИ основаны на брошюре BIPM SI (9-е издание). Определения основных единиц СИ Моль (символ моль) – это единица измерения количества вещества в системе СИ.Один моль содержит ровно 6,022 140 76 x 10 23 элементарных объекта. Это число представляет собой фиксированное числовое значение постоянной Авогадро, N A , выраженное в единицах моль -1 , и называется числом Авогадро.
Количество вещества, обозначенное символом n , в системе является мерой количества определенных элементарных объектов. Элементарным объектом может быть атом, молекула, ион, электрон, любая другая частица или определенная группа частиц. Перейти к единицам СИ Справочная информация или Базовые единицы СИ Онлайн: март 1998 – Последнее обновление: июнь 2019 | ||
Время, скорость и скорость | Физика
Цели обучения
К концу этого раздела вы сможете:
- Объясните взаимосвязь между мгновенной скоростью, средней скоростью, мгновенной скоростью, средней скоростью, смещением и временем.
- Рассчитайте скорость и скорость с учетом начального положения, начального времени, конечного положения и конечного времени.
- Постройте график зависимости скорости от времени с учетом графика положения от времени.
- Расскажите о графике зависимости скорости от времени.
Движение – это нечто большее, чем расстояние и смещение. Такие вопросы, как: «Сколько времени занимает пешая гонка?» и “Какая была скорость бегуна?” невозможно ответить без понимания других концепций. В этом разделе мы добавляем определения времени, скорости и скорости, чтобы расширить наше описание движения.
Как обсуждалось в разделе «Физические величины и единицы», наиболее фундаментальные физические величины определяются тем, как они измеряются. Так обстоит дело со временем. Каждое измерение времени включает в себя измерение изменения некоторой физической величины. Это может быть число на цифровых часах, сердцебиение или положение Солнца на небе. В физике время определяется просто: время, – это изменение, , или интервал, в течение которого происходит изменение. Невозможно знать, что время прошло, если что-то не изменится.
Время или изменение калибруется путем сравнения со стандартом. Единицей измерения времени в системе СИ является секунда, сокращенно с. Мы можем, например, наблюдать, что некий маятник совершает полный оборот каждые 0,75 с. Затем мы могли бы использовать маятник для измерения времени, считая его колебания или, конечно, подключая маятник к часовому механизму, который регистрирует время на циферблате. Это позволяет нам не только измерить количество времени, но и определить последовательность событий.
Как время связано с движением? Обычно нас интересует время, затраченное на конкретное движение, например, сколько времени требуется пассажиру самолета, чтобы добраться от своего места до задней части самолета.Чтобы найти истекшее время, мы отмечаем время в начале и в конце движения и вычитаем два. Например, лекция может начаться в 11:00 утра. и закончится в 11:50 утра, чтобы прошедшее время составило 50 минут. Истекшее время Δ t – разница между временем окончания и временем начала,
Δ т = т f – т 0 ,
, где Δ t – изменение во времени или прошедшее время, t f – время в конце движения, а t 0 – время начала движения.(Как обычно, символ дельты, Δ, означает изменение величины, которая следует за ним.)
Жизнь проще, если время начала t 0 принять равным нулю, как при использовании секундомера. Если бы мы использовали секундомер, он просто показывал бы ноль в начале лекции и 50 минут в конце. Если t 0 = 0, то Δ t = t f ≡ t .
В этом тексте для простоты
- движение начинается в момент времени, равный нулю ( t 0 = 0)
- символ t используется для истекшего времени, если не указано иное (Δ t = t f ≡ t )
Ваше понятие скорости, вероятно, совпадает с ее научным определением.Вы знаете, что если у вас есть большое смещение за небольшой промежуток времени, у вас есть большая скорость, и эта скорость выражается в единицах расстояния, разделенных на время, например, в милях в час или в километрах в час.
Средняя скоростьСредняя скорость – это смещение (изменение положения), деленное на время перемещения ,
[латекс] \ bar {v} = \ frac {\ Delta x} {\ Delta t} = \ frac {{x} _ {f} – {x} _ {0}} {{t} _ {f} – {t} _ {0}} [/ latex],
, где [latex] \ bar {v} [/ latex] – это средняя скорость (обозначена полосой над v ), Δ x – изменение положения (или смещения), а x f и x 0 – конечная и начальная позиции в моменты времени t f и t 0 соответственно.Если время пуска t 0 принять равным нулю, то средняя скорость будет просто
[латекс] \ bar {v} = \ frac {\ Delta x} {t} [/ latex].
Обратите внимание, что это определение указывает, что скорость является вектором, потому что смещение – это вектор . У него есть и величина, и направление. Единица измерения скорости в системе СИ – это метры в секунду или м / с, но широко используются многие другие единицы, такие как км / ч, миль / ч (также записываемые как мили в час) и см / с. Предположим, например, что пассажиру самолета потребовалось 5 секунд, чтобы переместиться на −4 м (отрицательный знак указывает, что смещение происходит в сторону задней части самолета).Его средняя скорость будет
[латекс] \ bar {v} = \ frac {\ Delta x} {t} = \ frac {-4 \ text {m}} {5 \ text {s}} = – \ text {0,8 м / с. } [/ латекс]
Знак минус указывает, что средняя скорость также направлена к задней части самолета.
Однако средняя скорость объекта ничего не говорит нам о том, что с ним происходит между начальной и конечной точкой. Например, по средней скорости мы не можем сказать, останавливается ли пассажир самолета на мгновение или отступает назад, прежде чем он уйдет в заднюю часть самолета.Чтобы получить более подробную информацию, мы должны рассмотреть меньшие сегменты поездки за меньшие промежутки времени.
Чем меньше временные интервалы, учитываемые в движении, тем более подробная информация. Когда мы доводим этот процесс до его логического завершения, у нас остается бесконечно малый интервал. В течение такого интервала средняя скорость становится мгновенной скоростью или скоростью в определенный момент . Например, автомобильный спидометр показывает величину (но не направление) мгновенной скорости автомобиля.(Полиция выдает билеты на основе мгновенной скорости, но при расчете времени, которое потребуется, чтобы добраться из одного места в другое во время поездки, вам необходимо использовать среднюю скорость.) Мгновенная скорость v – это средняя скорость при заданной скорости. конкретный момент времени (или бесконечно малый интервал времени).
Математически, нахождение мгновенной скорости v в точный момент времени t может включать определение предела, операцию вычисления, выходящую за рамки этого текста.Однако во многих случаях мы можем найти точные значения мгновенной скорости без расчетов.
В обиходе большинство людей используют термины «скорость» и «скорость» как синонимы. В физике, однако, они не имеют одинакового значения и представляют собой разные концепции. Одно из основных различий заключается в том, что скорость не имеет направления. Таким образом, скорость является скаляром . Так же, как нам нужно различать мгновенную скорость и среднюю скорость, нам также необходимо различать мгновенную скорость и среднюю скорость.
Мгновенная скорость – величина мгновенной скорости. Например, предположим, что пассажир самолета в один момент времени имел мгновенную скорость -3,0 м / с (минус означает направление к задней части самолета). При этом его мгновенная скорость составляла 3,0 м / с. Или предположим, что однажды во время похода по магазинам ваша мгновенная скорость составляет 40 км / ч на север. Ваша мгновенная скорость в этот момент будет 40 км / ч – такая же величина, но без указания направления.Однако средняя скорость сильно отличается от средней скорости. Средняя скорость – это пройденное расстояние, разделенное на затраченное время.
Мы отметили, что пройденное расстояние может быть больше перемещения. Таким образом, средняя скорость может быть больше средней скорости, которая представляет собой смещение, деленное на время. Например, если вы едете в магазин и возвращаетесь домой через полчаса, а одометр вашего автомобиля показывает, что общее пройденное расстояние составило 6 км, то ваша средняя скорость составила 12 км / ч. Однако ваша средняя скорость была равна нулю, потому что ваше смещение в оба конца равно нулю.(Смещение – это изменение положения и, таким образом, равно нулю для поездки туда и обратно.) Таким образом, средняя скорость равна , а не просто величине средней скорости.
Другой способ визуализировать движение объекта – использовать график. График положения или скорости как функции времени может быть очень полезным. Например, для этой поездки в магазин графики положения, скорости и зависимости скорости от времени показаны на рисунке 4. (Обратите внимание, что на этих графиках изображена очень упрощенная модель поездки.Мы предполагаем, что скорость постоянна во время поездки, что нереально, учитывая, что мы, вероятно, остановимся в магазине. Но для простоты мы смоделируем его без остановок и изменений скорости. Мы также предполагаем, что маршрут между магазином и домом является совершенно прямой линией.)
22.1: Масса, длина и время
- Последнее обновление
- Сохранить как PDF
- Участник
Любая механическая величина может быть выражена тремя основными величинами: массой , длиной и временем . Например, скорость – это длина, разделенная на время. Сила – это масса, умноженная на ускорение, и, следовательно, масса, умноженная на расстояние, деленная на квадрат времени.
Поэтому мы говорим, что [Сила] = MLT −2 . Квадратные скобки означают: «Размеры количества внутри». Уравнения показывают, как сила зависит от массы, длины и времени. Мы используем символы MLT (не в курсиве ) для обозначения основных измерений массы, длины и времени. В приведенном выше уравнении MLT -2 – это , а не , заключенные в квадратные скобки; в этом нет смысла.
Мы различаем измерений физической величины и единицы, в которых она выражается. В случае единиц MKS (которые являются подмножеством единиц СИ) единицами массы, длины и времени являются кг, м и с. Таким образом, можно сказать, что единиц , в которых выражена сила, – это кг · м · с -2 , а его размеры равны MLT -2 .
Для электромагнитных величин нам нужна четвертая фундаментальная величина. Мы могли бы выбрать, например, количество электричества Q, и в этом случае размерность тока будет QT -1 .Мы не касаемся здесь размеров электромагнитных величин. Более подробную информацию можно найти в моих заметках об электричестве и магнетизме, http://orca.phys.uvic.ca/~tatum/elmag.html
.Чтобы определить размерность физической величины, обычно проще всего взглянуть на определение этой величины. Большинству читателей не составит труда понять, что, поскольку работа – это сила, умноженная на расстояние, размеры работы (и, следовательно, также энергии) равны ML 2 T −2 .{-1}. \)
Измерение частоты пульса – Физика тела: движение к метаболизму
Работая медсестрой, Джолин чаще всего измеряет частоту сердечных сокращений. Частота сердечных сокращений часто измеряется путем подсчета количества импульсов, возникающих в запястье или шее за определенный период времени. Чтобы сравнить частоту сердечных сокращений, измеренную разными людьми, мы должны быть уверены, что все используют одни и те же единицы измерения. В медицине в качестве стандартной единицы измерения частоты пульса используется количество ударов в минуту ( ударов в минуту, ).
Вместо того, чтобы ждать и подсчитывать импульсы в течение полной минуты, вы можете выполнять измерения быстрее, считая импульсы в течение шести секунд, а затем умножая число на десять, чтобы получить количество импульсов, которые произошли бы за шестьдесят секунд или одну минуту. . Этот процесс известен как преобразование единиц в , и число десять было коэффициентом преобразования для этого примера.
Повседневный пример: частота пульса
Карлотта хочет определить частоту пульса в ударов в минуту .Она считает девять импульсов за шесть секунд. Затем она использует коэффициент преобразования десять, чтобы преобразовать количество ударов за шесть секунд в ударов в минуту и определяет свою частоту сердечных сокращений как 90 ударов в минуту :
Метод преобразования единиц измерения по цепочке предотвращает ошибки, отслеживая все значения, единицы и коэффициенты пересчета.
Для применения метода рабицы:
- Запишите исходное значение и единицы измерения.
- Установите равным себе, только теперь с единицами, записанными в виде дроби.
- Умножьте на коэффициенты преобразования, чтобы отменить нежелательные единицы и оставить только желаемые конечные единицы.
- Измените некоторые коэффициенты преобразования, чтобы при необходимости отменить нежелательные единицы.
- Умножьте числа сверху.
- Умножьте числа внизу.
- Разделите верхний результат на нижний результат.
- Запишите окончательное значение.
- Добавьте желаемые конечные единицы (верхние и нижние), оставшиеся после отмены.
Применение метода звена цепи к предыдущему примеру дает нам тот же ответ, только теперь нам не нужно просто заранее знать, что мы должны умножить на десять, нам нужно было только знать, что в одной минуте 60 секунд, который мы используем в качестве коэффициента преобразования.
Повседневный пример: частота пульса
Карлотта хочет определить частоту пульса в ударов в минуту . Она насчитывает девять импульсов за шесть секунд. Затем она использует коэффициент преобразования десять, чтобы преобразовать количество ударов за шесть секунд в ударов в минуту и определяет свою частоту сердечных сокращений как 90 ударов в минуту :
Применение метода звена цепи к предыдущему примеру дает нам тот же ответ, только теперь нам не нужно заранее знать, что мы должны умножить на десять, нам нужно было только знать, что в одной минуте было 60 секунд, которые мы используется в качестве нашего коэффициента преобразования.
Акт проверки того, что ваш ответ на проблему содержит правильные единицы, называется модульным анализом. Термин «метод звеньев цепи» часто используется как синонимы терминов «блочный анализ» или «анализ размеров», как, например, в этом полезном видео, демонстрирующем единичный анализ с помощью метода цепных звеньев. Давайте попрактикуемся еще в преобразовании единиц измерения, используя метод цепочки с несколькими коэффициентами преобразования:
Пример на каждый день
Ронни хочет прикинуть, сколько денег он потратит на то, чтобы ездить на бензине туда и обратно из университетского городка в этом семестре.Дорога до кампуса туда и обратно составляет 14,2 мили, его машина обычно проезжает 27 миль на галлон ( миль на галлон, ), а бензин в настоящее время стоит долларов, 2,86 за галлон. Ему нужно ездить в университетский городок и обратно четыре раза в неделю. Давайте спрогнозируем его стоимость за газ на 11-недельный срок.
Как и медицинские работники, ученые используют стандартные научные единицы (СИ) при составлении отчетов об измерениях, чтобы мы все могли оставаться на одной странице. Например, основная единица времени в системе СИ – секунды.В этом курсе мы в основном будем использовать секунды для времени, метры для длины, килограммы для массы и Кельвина для температуры. Все другие единицы, которые мы используем, будут комбинациями этих нескольких основных единиц СИ. В таблице ниже показаны все семь основных единиц СИ и их сокращения. Все другие стандартные научные единицы являются производными единицами, то есть представляют собой комбинации этих семи основных единиц. В этой книге сокращенные единицы будут обозначаться полужирным шрифтом и для ясности. Семь основных единиц и их сокращения приведены в следующей таблице.Посетите Национальный институт стандартов и технологий (NIST) для получения дополнительной информации о стандартных единицах измерения.
| Имущество | Установка | Аббревиатура |
| Длина | метр | м |
| Масса | килограмм | кг |
| Время | секунд | с |
| Номер (количество) | моль | моль |
| Температура | Кельвин | К |
| Электрический ток | Ампер | А (ампер) |
| Сила света | канделла | кд |
Как и в случае с частотой сердечных сокращений, стандартные медицинские единицы и стандартные научные единицы не всегда совпадают, что означает, что нам нужно будет уметь анализировать единицы измерения и преобразовывать единицы, если мы хотим использовать физику для анализа человеческого тела. .Давай снова потренируемся.
Повседневный пример: единицы скорости
Аасма бежала изо всех сил, в то время как подруга ехала рядом в машине со спидометром, показывающим 14 миль в час ( миль в час, ). Можете ли вы определить, насколько быстро Aasma работала в метрах в секунду ( м / с, )? В одной миле ( миль ) 1,6 километра ( км ) и 1000 метров ( м ) в одном километре. Помня, что есть 60 секунд ( с ) в минуту ( мин ) и 60 мин в час ( часов ).
Механика с анимацией и видеороликами.
За редкими исключениями ученые используют систему единиц СИ . (SI означает Système International d’Unités.) Эта система основана на килограммах для массы, метров для длины, секунд для времени, ампер для электрического тока, кельвина для температура, моль для химических величин и кандел для силы света.Другие системы – британской имперской системы и натуральных единиц .Physclips – это научная презентация, и мы используем только SI. Если вы сталкиваетесь с проблемами, указанными в других единицах измерения, простейшая процедура часто состоит в том, чтобы перевести проблему в СИ, решить ее, а затем перевести обратно. Это звучит как дополнительная работа, но обычно она намного меньше, чем дополнительная работа, необходимая при использовании британской системы единиц, которая имеет внутренние коэффициенты пересчета.
В Соединенных Штатах Америки, Либерии и Мьянме британская имперская система является официальной системой.Раньше эта система была гораздо более распространенной, и ее следы остались в других странах, которые находятся в процессе «перехода на метрическую систему», то есть перехода на систему СИ.
Работа с имперской системой или преобразование из нее обычно включает только множитель. Например, дюйм, британская единица измерения длины, официально считается равным 25,4 мм. В некоторых случаях такое умножение может стать неудобным: рассмотрим британскую единицу теплопроводности, одну британскую тепловую единицу в секунду на квадратный фут на градус Фаренгейта на дюйм.Понятно, почему он существует, но это некрасиво и неудобно. (Для сравнения, теплопроводность в единицах СИ составляет Вт.м −1 .K −1 .)
Однако возникает некоторая путаница из-за различного разговорного использования единиц массы и силы в системе СИ и имперской системе мер. В имперской системе единицей силы является фунт-сила, а иногда, как во многих американских учебниках физики, просто фунт. Единицей массы в имперской системе является пуля , то есть масса, которая ускоряется на один фунт со скоростью один фут в секунду в секунду.Пульса 14,5939 кг. Эти уравнения, являющиеся определениями, позволяют нам сравнивать единицы массы и силы:
SI
- Единица силы = 1 ньютон = 1 кг.м.с -2
- Единица силы = 1 фунт = 1 пуля. Фут. Секунда -2
Пули используются очень редко. В просторечии фунт используется как единица количества – фунт яблок в просторечии означает количество яблок, которое весит фунт-силу (на поверхности земли).Есть еще одна имперская единица силы – фунтов стерлингов . Это определяется как сила, необходимая для ускорения на один фут. Секунда -2 массы, вес которой составляет один фунт. Итак, фунт равен 32 фунтам.
Упомянутые выше единицы связаны с особенностями земли (ее окружность первоначально определяла метр, а вторая – с днем) или земных артефактов, таких как стандартный килограмм, или определенных веществ, особенно воды. Напротив, законы физики и их комбинации дают натуральных единиц , которые используются некоторыми физиками-теоретиками, особенно космологами.Например, скорость света принимается за единицу скорости. Хотя это делает уравнения простыми, эти единицы в целом неудобны для измерения. Например, естественные единицы длины и времени неудобно малы (длина Планка составляет 1,6 x 10 -35 метра, время Планка составляет 5,4 x 10 -44 секунды). См. Масштаб Планка для более подробной информации.
история – Почему секунда является базовой единицей СИ для времени?
Давным-давно у китайцев была десятичная система времени, когда день делили на 100 кэ (чуть меньше четверти часа каждый).См., Например, пункт (2) в следующем отрывке из книги Джозеф Нидхэм, Линг Ван, Дерек Джон де Солла Прайс «Небесный часовой механизм: Великие астрономические часы средневекового Китая» (источник изображения)
Французские революционеры тоже попробовали – они продержались 12 месяцев, но они были 30 дней каждый и разделены на 3 недели по 10 дней; день был разделен на 10 часов 100 минут 100 секунд. Они сделали часы, которые показывали оба времени бок о бок – предположительно, чтобы помочь в переходе.Как и многое в Революции, это длилось недолго …
Я долго смотрел на это изображение и все еще не мог понять, сколько сейчас времени. Совершенно уверен, что это было 12-го числа и через 80 минут после полуночи. Что меня озадачивает, так это то, что внешняя стрелка показывает, что сейчас 10 минут второго (24 часа). Эти двое не согласны. Может часы сломаны. Конечно, пять рук – это слишком много.
Что касается «почему они не получили широкого распространения»? Французские революционеры были довольно ядовитой группой – вы могли подумать, что они ваши друзья, но они, еще один захват власти, поставили ваших друзей за решетку и поставили под угрозу вашу собственную карьеру.Учитывая, что даже химик Антуан Лавуазье потерял голову во время La Terreur, неудивительно, что ведущие ученые могут сопротивляться присоединению к революционному движению. И, по-видимому, у них уже было откалибровано все измерительное оборудование за секунды; потребовалось бы некоторое время (и производителям инструментов, которые не теряли голову), чтобы даже начался переход. Помните, что изменение определения секунды потребовало бы создания целого семейства калиброванных, отслеживаемых инструментов.В то время это не было революционным приоритетом.
Очень полное описание вопросов цифрового времени можно найти на http://www-history.mcs.st-and.ac.uk/HistTopics/Decimal_time.html
Некоторые ключевые моменты, заслуживающие повторения:
- Французы пробовали это дважды
- На самом деле Лаплас написал несколько книг, используя десятичные единицы времени («Traité de Mécanique Céleste»).
- десятичный календарь начался в равноденствие:
таким образом, солнце осветило оба полюса одновременно и последовательно весь земной шар в тот же день, что впервые во всей своей чистоте пламя свободы, которое должно однажды озарить все человечество, осветило французскую нацию. (22 сентября 1792 г. было днем основания республики… Год 1, день 1)
- Десятичное время было отменено очень быстро; десятичный календарь просуществовал немного дольше (до 1 января 1806 г.)
- 10 месяцев из 30 дней оставили неудобные 5 или 6 дней «без учета»; это были праздники.
- 10-дневная неделя была непопулярной: был добавлен выходной в середине недели.
- Наполеон отказался от десятичного календаря, чтобы «поставить церковь на свою сторону» незадолго до того, как был коронован императором.
- , вторая попытка перейти на десятичную дробь (конец 19 века) встретила сопротивление повсюду, поскольку все таблицы, инструменты, карты и четные единицы (базовые единицы ампер и кандела и 20 нечетных производных единиц) в конечном итоге потребовали бы переопределения.
Две ссылки, цитируемые в указанной выше статье:
K. Alder, Мера всех вещей (Little Brown, London 2002)
P. Galison, Часы Эйнштейна, карты Пуанкаре (W. W. Norton & Co, New York 2004)
Еще одна недавняя попытка «десятичного времени» была предпринята Swatch, который создал «всемирное время», в котором 1000 битов (на самом деле – точка-биты!) В день равнялись одной французской десятичной минуте. «Давай выпьем кофе в @ 450» никогда не пользовались успехом… Он используется в качестве справочника времени в ICQ и некоторых онлайн-играх, а функции времени php имеют спецификатор формата b для преобразования обычного времени в время .beats.
|