Физические основы механики
Результаты многочисленных опытных наблюдений обобщают в виде физических законов, которые представляют собой некоторые утверждения относительно связей между теми или иными физическими величинами. Для проверки на опыте этих утверждений необходимо независимыми способами измерить все те величины, которые связаны в данном физическом законе. Измерение любой физической величины проводится путем её сравнения с определенным стандартным значением,принятым за единицу этой величины.Эти единицы обязательно должны указываться вместе с численным значением результата. Метрическая система мер, созданная в эпоху Великой французской революции, по мысли ее авторов должна была служить «на все времена, для всех народов, для всех стран».
Основные единицы измерения выбираются произвольно.
Поясним факт произвольности выбора основных единиц следующими примерами. Длину можно с одинаковым успехом измерять в аршинах, саженях, футах, ярдах, метрах и так далее.
Рис. 1.2. Масса в природе и технике
Для тех, кто внимательно следит за международной торговлей золотом, укажем, что на этих торгах, по традиции, указывается стоимость тройской унции золота, то есть 31,1034768 грамма (1/12 аптекарского фунта).
Цель указанных примеров состоит в том, чтобы показать, что свобода (произвольность) выбора основных единиц измерения способна привести к весьма дорогостоящей путанице. В действительности свобода выбора основных единиц, претендующих на то, чтобы, как сказано выше, служить «на все времена, для всех народов, для всех стран», ограничена целым рядом жестких требований.
А именно (цитируем по книге А.Г. Чертова “Международная система единиц измерения”, Москва, Росвузиздат, 1963):
1.”Число основных единиц системы необходимо свести к разумному минимуму. С увеличением числа основных единиц системы увеличивается и число размерных коэффициентов в физических формулах, что создает неудобство при использовании системы.
Наоборот, в системе с меньшим числом основных единиц уменьшается число размерных коэффициентов. Однако с уменьшением числа основных единиц системы увеличивается число производных единиц с одинаковой размерностью, что также создает неудобство при пользовании системой единиц.
Опыт показывает, что наиболее удачной системой единиц для измерения механических величин оказалась система с тремя основными единицами: единицами длины, массы и времени или длины, силы и времени. Для измерения величин молекулярной физики наиболее удобной является система с четырьмя основными единицами: единицами длины, массы, времени и температуры. Для измерения электромагнитных величин применяются системы также с четырьмя основными единицами.
2.Нужен рациональный выбор основных единиц. Необходимо, чтобы как сами основные единицы, так и полученные на их основе производные единицы по своему размеру были удобны для практических целей. Кроме того, основные единицы должны быть такими, чтобы их можно было воспроизвести в виде эталонов или эталонными установками с точностью, удовлетворяющей требованиям науки и техники.
3.Система должна быть когерентной, т. е. чтобы во всех определяющих уравнениях коэффициент пропорциональности являлся безразмерной величиной, равной единице.
4.Система должна содержать единицы измерения всех величин, входящих в те разделы физики, для которых система предназначена.
5.Система должна содержать только одну единицу измерения для каждой физической величины.
6.Система единиц, предназначенная для определенного раздела физики, должна являться основанием для построения систем единиц других разделов физики или быть их логическим развитием.
Например, система механических единиц МКС является основанием для построения системы электромагнитных единиц МКСА.
Наличие такой логической связи между отдельными системами, действующими в различных разделах физики, позволяет создать единую систему, охватывающую широкий круг областей физической науки”.
В последнее десятилетие (1950–1960 годы) была проделана большая работа международными организациями по созданию такой системы. Эта система основывается на шести основных единицах и получила название Международной системы единиц (SI) — начальные буквы французского наименования Systeme International.
Международная система единиц (SI, по-русски СИ) была принята XI Генеральной конференцией по мерам и весам, с 1 января 1963 года она введена в СССР в качестве Государственного стандарта.
Основной особенностью современных единиц является то, что между единицами разных величин устанавливаются зависимости на основе тех или иных законов или определений, которыми связаны между собой измеряемые величины.
Таким образом, из нескольких условно выбираемых основных единиц строятся производные единицы.
Рис. 1.3. Скорость в природе и технике
Единицы, которые выводятся из основных и дополнительных с помощью физических законов и определений, называются
Совокупность основных, дополнительных и производных единиц измерения называется системой единиц измерения.
В зависимости от выбора основных и дополнительных единиц измерения могут быть построены различные системы единиц измерения, отличающиеся практической целесообразностью и удобством пользования.
Рис. 1.4. Плотность вещества в природе
Отметим, что в физике вообще и в теоретической физике в особенности широко используются системы так называемых натуральных единиц. Подробно речь о таких системах единиц пойдет в тех разделах, где их использование общепринято, здесь же приведем один пример для краткого пояснения того, что имеется ввиду.
Атомная система единиц вводится из следующих соображений. В атоме (молекуле) главным действующим лицом является электрон, Это связано с тем, что ядра в несколько тысяч раз тяжелее электронов и, как правило, могут считаться неподвижными. Действительно, отношение массы самого легкого ядра — протона к массе электрона равно 1836. Главным взаимодействием, определяющим свойства атома, является электромагнитное, прежде всего электростатическое — кулоновское. Наконец, атом — квантовый объект: классическая (не квантовая) теория его свойства не описывает. В этих условиях естественно предположить (так оно и есть), что масштабы “атомного мира” определяются такими фундаментальными мировыми постоянными как: 1) масса электрона ; 2) элементарный заряд — модуль заряда электрона, он же заряд протона ; 3) квантовая постоянная — постоянная Планка . Другими словами, естественно положить , что означает лишь следующее: массы всех объектов будем измерять в массах электрона, все заряды — в зарядах протона, а все величины с размерностью момента импульса или произведения энергии на время — в постоянных Планка.
Такого рода системы единиц замечательны главным образом тем, что никак не связаны с параметрами человеческого организма (не антропогенные единицы) или другими «местными» — Земными масштабами. Под антропогенностью имеется ввиду следующее: секунда — примерно интервал времени между двумя последовательными «ударами» сердца спокойно лежащего здорового человека, метр — примерно расстояние от левого плеча до концов пальцев горизонтально вытянутой правой руки, сажень — расстояние между концами пальцев горизонтально вытянутых рук, килограмм — примерно масса двух кулаков взрослого мужчины.
В Международной системе единиц СИ (начальные буквы французского наименования Systeme International) в качестве основных выбраны следующие семь единиц:
Основные единицы измерения
В квадратных скобках указано общепринятое обозначение для размерностей: длину можно измерять в метрах, ярдах или попугаях, но обозначение L (от англ. length) всегда подскажет нам, что мы имеем дело с длиной. Аналогично вводится обозначение размерности времени Т (от англ. time).
Рис. 1.5. “Хронография” развития Вселенной
Кроме основных, в системе СИ используются дополнительные единицы.
Дополнительные единицы измерения
- Единица измерения плоского угла [], 1 рад (радиан).
Радиан — это центральный угол, опирающийся на дугу, длина которой равна ее радиусу (рис. 1.6). - Единица измерения телесного угла [], 1 ср (стерадиан). Телесный угол в 1 Стерадиан — это телесный угол, опирающийся на участок сферической поверхности произвольной формы, площадь которой равна квадрату ее радиуса (рис. 1.7).
Радиан — это центральный угол, опирающийся на дугу, длина которой равна ее радиусу (рис. 1.6).Рис. 1.6 Определение единицы плоского угла в СИ
Рис. 1.7. Определение телесного угла
Для простоты ученые стремятся выбрать минимальное число основных величин, которое позволяет дать полное описание физического мира. В выборе основных величин и их производных имеется некоторый произвол. С двумя из этих единиц мы знакомимся уже с самого детства. Это естественно, так как все события происходят где-то и когда-то. Мы обитаем в пространстве, которое измеряем единицами длины. Мы живем во времени, и человечество научилось его измерять в глубокой древности. Почему наш мир существует во времени и в пространстве? Мы договорились таких вопросов не ставить, так как наука все равно на них не ответит.
Но каковы свойства пространства и времени? — этот вопрос вполне закономерен. Изучая физические явления, мы узнаем свойства пространства и времени, и процесс этого познания еще не завершен.
До недавнего времени международным эталоном метра считалось расстояние между двумя штрихами на стержне из платинового сплава, хранящимся в Международном бюро мер и весов в Париже. В последние годы эталон метра определялся числом длин световой волны конкретной (оранжевой) спектральной линии изотопа криптона при переходе электрона между квантовыми состояниями и (что это такое, мы узнаем в заключительных частях курса). Метр содержит 1 650 763.73 длины волны этой спектральной линии в вакууме. Вследствие возросших требований к точности эталона длины в 1983 г. было принято следующее определение метра: это расстояние, проходимое светом в вакууме за время = 1/299 792 458 секунд. Иными словами, постулировано, что скорость света с в точности равна = 2.99792458 • 108 м/с.
В сущности, это означает, что вместо длины в качестве фундаментальной единицы выбрана скорость, а длина стала производной единицей.
На рис. 1.8 представлены пространственные расстояния, характерные для окружающего мира.
Рис. 1.8. Пространственные масштабы в природе
Весь доступный нашим наблюдениям мир заключен в интервале от 1026 м (радиус видимой части Вселенной) до 10-18 м (расстояния, «прощупываемые» в современных экспериментах с элементарными частицами). Для удобства шкала расстояний изображена в логарифмическом масштабе . Это значит, что расстоянию 10 м на шкале соответствует число 1, а расстоянию 100 км = 100 000 м — число 5.
Если раньше время определяли по Солнцу, и секунда соответствовала 1/86 400 средних солнечных суток, то теперь она равна продолжительности 9 192 631 770 периодов колебаний световой волны, излученной при переходе между сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия .
Цезиевый стандарт очень точен: за 6 000 лет двое цезиевых часов могут разойтись лишь на одну секунду. Существуют и более точные часы на водородном мазере: разница в секунду набегает здесь за 30 млн. лет. Возможно, водородный мазер будет принят когда-нибудь в качестве нового эталона времени.
Некоторые временные интервалы, встречающиеся в природе, иллюстрирует рис. 1.9.
Рис. 1.9. Временные интервалы в природе
Самое большое время, о котором мы можем получить какие-то сведения — это время существования видимой части Вселенной. По современным представлениям она родилась в результате так называемого Большого Взрыва примерно 14 млрд. лет тому назад (6 • 1017 с). Наименьшие времена (10-26 с), с которыми мы сталкиваемся, по порядку величины соответствуют времени, за которое свет проходит самые малые расстояния, доступные сейчас для изучения.
Тест по физике за I полугодие для 7 класса
Тест
для учащихся 7 классов по физике
(I полугодие 2014-2015 учебный год)
Вариант 1
1.
Что является основной единицей времени в Международной системе?
А. Сутки; Б. Минута; В. Часы; Г. Секунда; Д. Год.
2. Сколько миллиграммов в одном грамме?
А. 10; Б. 100; В. 1000; Г. 0.01; Д. 0,001.
3. Выберите верное утверждение:
А. только твердые тела состоят из молекул;
Б. только жидкости состоят из молекул;
В. Только газы состоят из молекул;
Г. Все тела состоят из молекул.
4.Есть ли отличия между молекулами холодной и горячей воды?
А. Молекулы холодной воды больше, чем молекулы горячей воды;
Б. Молекулы холодной воды меньше, чем молекулы горячей воды;
В. Молекулы одинаковы.
5. Изменение положения тела относительно других тел с течением времени называют:
А. Пройденным путем;
Б. Траекторией;
В. Механическим движением.
6. Земля вращается вокруг Солнца со скоростью 108000км/ч. Выразите эту скорость в м/с.
А. 30000м/с; Б. 1800000м/с; В. 108м/с; Г. 180м/с; Д. 30м/с.
7. Поезд движется со скоростью 60км/ч. Какое расстояния он пройдет за 1,5ч?
А. 120км; Б. 80км; В. 90 км; Г. 150 км.
8.Какое из приведенных ниже выражений используется для вычисления плотности тела?
А. ρ*V; Б. m/ρ; В. m/V; Г. V/m.
9. Плотность бетона 2200кг/м3. Это означает, что:
А. 2200кг/м3 бетона имеют объем 1м3;
Б. 2200кг/м3 бетона имеют объем 2200м3;
В. 1 кг бетона имеет объем 2200кг/м3 .
10. Цистерна вместимостью 20 м3 наполнена керосином, масса которого 16000 кг. Вычислите плотность.
А. 320000 кг/м3; Б. 800 кг/м3; В. 0,05 кг/м3; Г. 320 кг/м3.
11. Весом тела называют силу, с которой:
А. тело притягивается к Земле;
Б. тело действует на другое тело, вызывающее деформацию;
В. Тело вследствие притяжения к Земле действует на опору или подвес.
12. Масса тела измеряется в…
А. Ньютонах;
Б. м3;
В. килограммах.
13. Сила упругости возникает в результате…
А. нагревания тела;
Б. деформации тела;
В. Перемещения тела.
14. Как взаимодействуют молекулы вещества?
А. Только отталкиваются;
Б. Только притягиваются;
В. Притягиваются и отталкиваются.
15. Установите соответствия:
А. Скорость тела вычисляется по формуле… | 1. m/ρ |
2. ρ*V | |
Б. Масса тела вычисляется по формуле… | 3. S/t |
4. m/V |
Тест
для учащихся 7 классов по физике
(I полугодие 2014-2015 учебный год)
Вариант 2
1.
Что является основной единицей длины в Международной системе?
А. Сантиметр; Б. Дециметр; В. Метр; 4. Километр.
2. Сколько граммов в одном килограмме?
А. 10г; Б. 100г; В. 1000г; Г. 10000г.
3. Что такое диффузия?
А. Явление проникновения молекул одного вещества между промежутками молекулами другого;
Б. явление, при котором вещества смешиваются друг с другом.
4. Отличаются ли молекулы водяного пара от молекул льда?
А. отличаются формой;
Б. молекулы пара больше молекул льда;
В. молекулы пара меньше молекул льда;
Г. Не отличаются
5. Что называют пройденным путем?
А. расстояние между начальным и конечным положениями тела;
Б. длину траектории, по которой движется тело в течение некоторого промежутка времени.
6. Велосипедист за 10 мин проехал 3 км. С какой скоростью двигался велосипедист?
А. 30м/с; Б. 5 м/с; В. 0,5 м/с; Г. 3м/с; Д. 50 м/с.
7. Как называют явление сохранения скорости тела при отсутствии действия на него других тел?
А.
Механическим движением;
Б. Инерцией;
В. Диффузией.
8 Плотность льда 900 кг/м3. Это означает, что:
А. в объеме 1м3 содержится лед массой 900кг;
Б. Лед массой 1 кг занимает объем 900 м3;
В. Лед массой 900 кг занимает объем 900 м3.
9 Какое из приведенных ниже выражений используется для вычисления плотности тела?
А. ρ*V; Б. m/ρ; В. m/V; Г. V/m.
10. В бутылке объемом 0,5 м3 содержится спирт массой 400кг. Какова плотность спирта?
А. 200 кг/м3; Б. 1250 кг/м3; В. 0,8 кг/м3; Г. 800 кг/м3; Д. 20 кг/м3.
11. Камень падает на Землю вследствие того, что на него действует:
А. Вес тела;
Б. Сила упругости;
В. Сила тяжести.
12. Сила измеряется в…
А. метрах;
Б. килограммах;
В. Ньютонах.
13. Скорость тела изменяется в результате…
А.
нагревания;
Б. взаимодействия с другим телом;
В. изменения формы тела.
14. Мельчайшей частицей вещества является…
А. пылинка;
Б. молекула;
В. капелька.
15. Установите соответствия:
А. Вес тела вычисляется по формуле… | 1. g*m |
2. ρ*V | |
Б. Масса тела вычисляется по формуле… | 3. kl |
4. *t |
Ключ к тесту по физике за 1 полугодие в 7 классе
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | |
Вариант 1 | г | д | г | в | в | а | в | в | а | б | в | в | б | в | А-3 Б-2 |
Вариант 2 | в | в | а | г | б | б | б | а | в | г | в | в | б | б | А-1 Б-2 |
.
Почему метр считается основной единицей СИ, если его определение зависит от секунды?ОП здесь.
Вместо того, чтобы выбрать ответ для принятия, я решил опубликовать свой собственный, собрав то, что я узнал из замечательных ответов @Wrzlprmft, @Steeven и @MassimoOrtolano (все проголосовали за!), и организовал таким образом, чтобы ответить на мой собственный вопросы более прямо. Всем спасибо, многому научился.
На первый взгляд, потому что, хотя он и зависит от второго, он все же арифметически независим от второго (и других пяти основных единиц). Но если смотреть глубже, то все это сводится к историческим причинам.
Прежде всего, были выбраны основные единицы СИ : они не навязаны природой. Таким образом, хотя и весьма разочаровывающим, правильным ответом на поставленный выше вопрос будет «это должен быть метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, моль или кандела». Однако этот ответ не является удовлетворительным.
Они называются “базовыми” единицами, потому что все единицы могут быть получены из них (аналогично, например, основе векторного пространства).
{-1}$. Почему ампер, а не кулон? По сути, ампер был выбран для удобства измерения (см. связанный вопрос, чтобы узнать больше). Пока все хорошо, так как выбор все равно придется сделать.
Но во втором пункте выше есть важное предостережение!! Сначала это может показаться удивительным, но независимо от того, являются ли две единицы арифметически независимыми или нет, также исторически выросло !!
Рассмотрим плотность магнитного потока (B-поле) и напряженность магнитного поля (H-поле). Первое измеряется в тесла , а второе в ампер на метр . Они арифметически независимы (поскольку тесла 9{-1}$ и имеют безразмерные $\mu$, если бы наука развивалась по-другому.
Рассмотрим электрический заряд и электрический ток. Первый измеряется в кулонов , а второй – в ампер . Они арифметически зависимы: $C = A \cdot s$. У нас есть отношение $i = \frac{dq}{dt}$, или, ради аргумента, $i = \alpha \frac{dq}{dt}$, где $\alpha = 1$ безразмерно.
{-1}$, если бы наука развивалась по-другому.
{-1}$, если бы наука развивалась по-другому.Во время написания этого ответа я понял, что у этого вопроса на самом деле есть две интерпретации. Непреднамеренная интерпретация будет следующей: Нельзя ли использовать вместо него другой блок? Ответ: да, определенно можно было бы использовать другую единицу измерения, например, ньютонов . Это была бы та же история с использованием кулонов вместо ампер , без проблем.
Теперь к правильной интерпретации: Почему метр считается базовой единицей СИ, хотя он зависит от определения секунды? Разве метр не должен быть производной единицей, оставив только остальные шесть единиц в качестве основных?
Краткий ответ: Это действительно базовый блок. Это не должно быть производной единицей. И все это в силу исторических причин.
Прежде всего, хотя метр зависит от определения секунды, это не единственное, от чего он зависит. Это также зависит от того, что называется «светом» (точнее, от того, как быстро движется свет).
Тот факт, что он зависит от второго , ни в коем случае не является достаточным доказательством того, что это производная единица. Мы должны изучить это глубже.
Рассмотрим другие шесть основных единиц из системы СИ, как они есть:
$$\{\text{кг}, \text{s}, \text{A}, \text{K}, \text{ моль}, \text{cd}\}$$
Можно ли записать метр как комбинацию указанных выше единиц и безразмерных констант? Дважды подумайте, прежде чем ответить!! Вы могли бы сказать “нет!” в голове, но это не так просто. На самом деле это тоже выбор. Но это не тот выбор, который мы делаем легко. Наоборот, это выбор, который история уже сделала за нас . История выбрала, что метр не может быть выражен таким образом. Но, цитируя @Wrzlprmft:
Если бы конечная скорость света была всепроникающим явлением для человечества с незапамятных времен, мы могли бы включить эту строгую связь в наше мышление и систему единиц, всегда приравнивая длину ко времени, которое требуется свету, чтобы преодолеть это расстояние, и никогда не используя отдельные единицы длины и времени.
Следовательно, если бы человечество развивалось по-другому, было бы вполне естественно просто написать
$$1\text{ m} = \dfrac{1}{299\text{ }792\text{ }458}\text{ s}$$
и имеют СИ только с шестью базовыми единицами.
Наша физика и система единиц основана на времени (секундах) или скорости света?
Задавать вопрос
спросил
Изменено 3 года, 9несколько месяцев назад
Просмотрено 214 раз
$\begingroup$
Скорость света в вакууме определяется в нашей физике как универсальная физическая постоянная с при локальном измерении в вакууме.
Скорость света в вакууме, обычно обозначаемая c, является универсальной физической константой, важной во многих областях физики.
Согласно специальной теории относительности, с — это максимальная скорость, с которой может двигаться вся обычная материя и, следовательно, все известные формы информации во Вселенной. Хотя эта скорость чаще всего ассоциируется со светом, на самом деле это скорость, с которой все безмассовые частицы и изменения связанных полей перемещаются в вакууме (включая электромагнитное излучение и гравитационные волны). Такие частицы и волны движутся со скоростью c независимо от движения источника или инерциальной системы отсчета наблюдателя. В специальной и общей теориях относительности c связывает пространство и время, а также фигурирует в известном уравнении эквивалентности массы и энергии E = mc2.https://en.wikipedia.org/wiki/Speed_of_light
Это в основном определяет скорость причинно-следственной связи.
Международная система единиц (SI, сокращенно от французского Système international (d’unités)) является современной формой метрической системы и является наиболее широко используемой системой измерения.
Основные единицы получены из неизменных констант природы, таких как скорость света в вакууме и заряд электрона, которые можно наблюдать и измерять с большой точностью.Итак, здесь сказано, что основные единицы получены из скорости света и заряда электрона.
Теперь мы используем единицы СИ, и она определяет секунду как основную единицу. Все остальное производное.
Длительность 9192631770 периодов излучения, соответствующих переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. В контексте SI секунда является согласованной базовой единицей времени и используется в определениях производных единиц.
Таким образом, сама СИ имеет противоречие в определении своей базовой единицы.
https://en.wikipedia.org/wiki/International_System_of_Units
Неясно, является ли универсальная постоянная, такая как скорость света, базовой единицей или второй (на основе атома цезия).
Какая из них является производной от какой, и является ли скорость света универсальной постоянной или второй?
Я мог бы сказать, что время перехода между сверхтонкими уровнями атома цезия ограничено скоростью причинности (скоростью света), так что это становится круговым.
Вопрос:
- Основана ли наша физика и наша система СИ на универсальной постоянной скорости света или времени (секундах), и какая из них является производной единицей?
- скорость света
- время
- си-единицы
- метрология
$\endgroup$
$\begingroup$
Единица времени (секунда) получена из атома цезия, как вы описываете. А единица измерения расстояния (метр) получена из скорости света и атом цезия – это расстояние, которое свет проходит за 9192631770 / 299792458 раз период излучения, соответствующий переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.
$\endgroup$
2
$\begingroup$
Ответ лимона правильный. Для другой (но эквивалентной) точки зрения: поскольку скорость света постоянна, вы можете определить ровно две из этих трех единиц: метр, секунда и метр в секунду.
Исторически сложилось так, что до теории относительности и идеи существования универсальной константы с единицами измерения метр/секунда люди определяли метр и секунду. Это подразумевало определение метра в секунду.
Теперь, по целому ряду причин и принимая во внимание, что скорость света постоянна, мы определяем секунду и метр в секунду. Это подразумевает определение метра.
Как указано в ответе лимона, определение секунды в настоящее время основано на переходном периоде между конкретными уровнями атома Cs, а метр в секунду определяется как значение, которое дает метр в секунду.