Основы физики

Физика дала нам понимание того, что происходит даже в отдаленных уголках Вселенной, и позволяет анализировать явления, почти недоступные для наблюдения. Ниже приведено краткое изложение основ физики для всех интересующихся.

Что такое энергия?

Начнем с самого главного вопроса. Энергия — это то, благодаря чему все случается во Вселенной. Любой объект обладает энергией, потому что масса тоже является формой энергии. Энергия не может быть создана или уничтожена, и ее количество во Вселенной сейчас такое же, как в начале времен. Энергия может переходить от объекта к объекту и менять свои формы. Такое течение энергии делает Вселенную динамичной и постоянно меняющейся.

Акустическая энергия

Переносится волнами упругости при прохождении через среду. Наше ухо воспринимает акустические колебания как звук.

Излучаемая энергия

Переносится светом и другими волнами электромагнитного излучения, такими как гамма-лучи или инфракрасное излучение.

Электрическая энергия

Энергия, передаваемая электронами и другими электрически заряженными частицами в форме тока, текущего через проводник.

Тепловая энергия

Энергия движения атомов и молекул внутри вещества. Тепловая энергия оказывает воздействие на вещество, нагревая его.

Кинетическая энергия

Энергия движения. При столкновении тела передают друг другу именно кинетическую энергию.

Химическая энергия

Выделяется или поглощается в процессе химической реакции. Она расходуется на разрушение прежних химических связей и выделяется при образовании новых.

Ядерная энергия

Энергия, хранящаяся в ядрах атомов. Она выделяется при делении и слиянии ядер, а также при радиоактивном распаде.

Потенциальная энергия

Вода на вершине водопада обладает  потенциальной энергией, которая превращается в кинетическую энергию (энергию движения) при падении воды вниз.

Массы и силы

Что такое сила?

Сила — это то, что переносит энергию от одного объекта к другому, меняя в процессе этого характер движения или состояние объекта. Это может быть изменение скорости, направления движения или формы объекта.

В природе существуют четыре силы или, как говорят, фундаментальных взаимодействия. Сильное ядерное взаимодействие удерживает вместе нуклоны (протоны и нейтроны) в атомном ядре. Слабое ядерное взаимодействие участвует в бета-распаде атомных ядер. Электромагнитное взаимодействие заставляет притягиваться противоположно заряженные частицы, а одноименные — отталкиваться.

Отскакивающий мячик движется по закругленной траектории, поскольку получил боковой импульс, или скорость. Однако направленная вниз сила тяжести также заставляет его падать, и наложение движений дает закругленную траекторию.

И, наконец, гравитация как сила притяжения между двумя массами. Сильное и слабое взаимодействия действуют исключительно в масштабах атома, гравитацию мы чувствуем как притяжение к земле. Если мы надавим рукой на любую поверхность, то почувствуем и электромагнитную силу. Отрицательно заряженные электроны атомов поверхностного слоя нашей руки отталкиваются от таких же электронов поверхности. Электроны не объединяются, поскольку электромагнитные силы расталкивают их в стороны.

Что такое масса?

Все объекты имеют массу, наилучшим определением которой является способность сопротивляться действию сил. Тяжелые объекты с большой массой требуют большей силы, чтобы сдвинуть их с места, а легкие — меньшей. Это свойство массы называется инерцией. Именно она проявляет себя, когда в отсутствие сил тело сохраняет покой, а также скорость и направление своего движения. Если характер движения изменился, значит, действует сила. В физике принято, что энергия переходит к другому телу, когда на него действует сила, и в таком случае говорят о «работе». Работа вычисляется умножением силы на расстояние.

Движение

Скорость и ускорение

В физике особое внимание направлено на точность описания характера движения. Например, быстроту перемещения не всегда можно назвать скоростью. Конечно, скорость — это расстояние, которое проходит объект за единицу времени. Однако быстрота перемещения не учитывает векторный (направленный) характер этого перемещения. Соответственно, два объекта, которые движутся с одинаковыми скоростями навстречу друг другу, будут иметь относительно друг друга удвоенную скорость.

Поворот за угол изменяет скорость, даже если быстрота движения остается той же. В случае этого мотоцикла силу производит мотор, а результатом становится боковое (центростремительное) ускорение, которое и изменяет скорость, придавая мотоциклу новое направление

Объект продолжает двигаться с постоянной по величине и направлению скоростью до тех пор, пока на него не начнет действовать сила. Наиболее близкий для нас пример — это сила сопротивления воздуха или сила трения, которая неизбежно заставляет тело останавливаться, если только на него не действует другая сила, постоянная либо периодическая.

В вакууме даже при отсутствии таких подстегивающих сил тела способны сохранять характер движения. Если же будет приложена сила, результатом станет ускорение тела, которое измеряется быстротой изменения скорости. Большая сила вызывает большее ускорение, меньшая — меньшее ускорение.

Количество движения, или импульс

Объект способен сохранять характер движения благодаря своему импульсу. Импульс является мерой механического движения тела и вычисляется как масса, умноженная на скорость. (Чем больше масса и скорость, тем больше импульс.) Чтобы остановить движущееся тело, нужно лишить его импульса, для чего противоположная движению сила должна передать ему энергию. Как только количество движения станет равно нулю, тело остановится. Однако импульс все равно сохранится, он просто перейдет на другой объект (например, руку или стенку), который передавал силу.

Закон сохранения количества движения (импульса) является лучшим доказательством того, что энергия не создается и не уничтожается — она лишь переходит между массами.

Маятник Ньютона (его еще называют колыбелью Ньютона) наглядно демонстрирует закон сохранения импульса. При столкновении с первым серебристым шариком красный шарик останавливается, полностью передавая ему свой импульс. Но тот первый серебристый тоже не двигается, поскольку передает импульс своим соседям. И так до конца, т.е. до того шара, который с краю и поэтому может двигаться

Сила притяжения

На поверхности Земли или рядом с ней сила притяжения проявляет себя в любом движении тел. Эта сила, еще называемая силой тяготения, стремится притянуть все, что имеет массу. Действует она и на огромных расстояниях между звездами и даже галактиками, однако на Земле мы практически чувствуем лишь притяжение нашей планеты. Сила притяжения действует между Землей и любым объектом на ней.

Сапсан, самый быстрый хищник планеты, активно использует притяжение Земли во время пикирования

Очевидно, что масса планеты неизмеримо больше даже в сравнении с самым большим объектом на поверхности Земли, так что смещение Земли навстречу этому объекту получается бесконечно малым, практически нулевым. С другой стороны, эта сила вносит существенные изменения в движение других объектов — падающих птиц, парашютистов или метеоров. Все это с ускорением устремляется к Земле.

Центробежная сила

На рисунке, заимствованном из «Математических начал натуральной философии» Исаака Ньютона, показана гипотетическая пушка, которая выстреливает ядром 1 ниже первой космической скорости, так что оно падает на Землю по параболической траектории. Ядро 2 имеет первую космическую скорость и остается спутником Земли. Ядро 3 имеет вторую космическую скорость и покидает Землю по широкой параболе. Ядро 4 имеет скорость выше второй космической, так что покидает Землю по гиперболической траектории

Силы тяготения, также называемые гравитацией, удерживают Луну на орбите вокруг Земли, а с ней и мириады искусственных спутников. Но какая сила удерживает их на орбите в круговом движении, и может ли сила притяжения давать не падение, а круговое движение? Секрет в том, чтобы тела на орбите были разогнаны до больших горизонтальных скоростей относительно поверхности Земли. Если вертикальная составляющая движения, обусловленная силой тяжести, пересиливает горизонтальную составляющую, то тело рано или поздно упадет на поверхность Земли. Но если пересилит горизонтальная составляющая, то тело не упадет на планету, а станет ее искусственным спутником. При дальнейшем увеличении скорости тело покинет и эллиптическую орбиту вокруг планеты. Первая скорость, когда тело перестает падать на Землю и выходит на орбиту, называется первой космической скоростью, а вторая скорость, когда тело покидает и вытянутую орбиту, называется второй космической скоростью. При скорости, равной первой космической скорости, тело вращается на постоянной высоте по круговой орбите.

Вес и масса

В своей речи мы привыкли не различать понятия массы и веса. Однако на Луне, где сила тяжести меньше, та же масса будет весить меньше

Вес создает именно сила тяжести, которая притягивает тело к Земле и заставляет его давить на опору. Где бы вы ни были, ваша масса остается постоянной, но вес зависит от силы притяжения. Например, Луна легче Земли, и сила тяжести (т.е. притяжение) на ней составляет одну шестую от земного значения. Космонавт весом 60 кг сохранит свою массу, но на Луне будет весить словно 10-килограмовый на Земле.

Волны

Волны представляют собой колебательные процессы, которые переносят энергию из одного места в другое. Одни волны, такие как звуковые и сейсмические колебания, нуждаются в среде распространения. Другие, такие как луч света, нет. Существует два основных типа волн, или колебаний. Поперечные волны (например, свет) колеблются перпендикулярно направлению своего распространения, а продольные (например, звук) — вдоль направления распространения. Звуковая волна представляет собой чередование областей сжатия и разрежения.

Мощность волны (количество энергии, переносимой в единицу времени) определяется амплитудой при условии, что все остальные параметры волны постоянны. Хороший пример тому звук: у более громкого звука большая амплитуда колебаний

Измерение параметров волн

Для волн можно определить длину волны, частоту, скорость распространения и амплитуду. Длина волны — это расстояние, которое проходит фронт волны за время одного колебания. Частота — это расстояние в длинах волн, которое проходит фронт волны за единицу времени. Скорость показывает, с какой быстротой перемещается фронт волны. Если волна имеет постоянную скорость распространения (как свет), то ее длина волны обратно пропорциональна частоте. И, наконец, амплитуда — это просто максимальный размах колебаний.

Оптика

Отражение и преломление

Оптика изучает закономерности поведения лучей света. Закон отражения утверждает, что угол падения луча равен углу отражения, причем эти лучи лежат в одной плоскости с перпендикуляром к точке падения. Не будь этого закона, отраженные лучи перепутывались бы, и мы не смогли бы видеть отражение в гладких поверхностях.

Зеркало формирует так называемое «мнимое» изображение, возникающее на том же расстоянии в глубине зеркала, что и у объекта перед зеркалом

В случае преломления луч по определенному закону меняет свое направление при прохождении границы между двумя средами. Именно так линзы фокусируют лучи своей искривленной поверхностью — параллельные лучи падают на них в разных точках под различными углами. Углы преломления тоже получаются различными, и лучи собираются в одной точке.

Цвет тела зависит от того, как он отражает и поглощает падающий на него белый свет. Черный цвет означает отсутствие света, так что черные тела поглощают все цвета. Белые тела отражают все цвета, так что их цвет зависит от того, какой длины излучение они отражают

Интерференция

Подобно всем волнам, свет также способен давать интерференционные узоры. Узор возникает, поскольку волна в разных точках имеет различные фазы. При наложении волн в фазе получается одна волна с удвоенной амплитудой, а при наложении в противофазе волны гасят друг друга.

Электромагнетизм

С 1820-х годов стало ясно, что электричество и магнетизм — это две стороны одного явления, и получило это явление название электромагнетизм. Основывается это явление на силах, которые удерживают отрицательно заряженные электроны вблизи положительно заряженных ядер атомов. Оказалось, что эти же силы позволяют получать электрический ток — поток электронов или других заряженных частиц. Через проводники электроток проходит, поскольку в них есть способные двигаться свободные электроны. Если материал не проводит электричество, он называется изолятором. ЭДС (электродвижущая сила), приложенная к проводнику, создает в нем электрический ток. При этом образуется магнитное поле, и проводник превращается в магнит, оставаясь им, пока течет ток.

Закон Ома

На этом рисунке показано, как использовать закон Ома для расчета силы тока, напряжения, электросопротивления и, наконец, мощности электрического тока. Зная одни параметры, можно вычислить другие.

Магнитное поле

Так называется окружающее магнит силовое поле. Для наглядности его еще представляют в виде линий действия силы, соединяющих северный (N) и южный (S) полюса магнита. У полюсов, где линии силового поля расположены более тесно, магнитное поле самое сильное. Дальше, где плотность линий меньше, влияние магнитного поля снижается.

Линии силового поля

Подобно электрическим силам, магнетизм также подчиняется закону «притяжения противоположностей». Северный полюс магнита будет притягиваться к южному полюсу другого магнита, тогда как одноименные полюса отталкиваются. Этот момент обозначен на диаграмме стрелками на линиях силового поля. Если стрелки указывают в одном направлении, то магниты притягиваются. Если стрелки на линиях смотрят в противоположных направлениях, то магниты отталкиваются.

ТАБЛИЦА ФИЗИЧЕСКИХ ФОРМУЛ