ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Классическая, полевая и квантово-релятивистская модели материальных объектов из "Курс теоретической физики Классическая механика Основы специальной теории относительности Релятивистская механика " Классическая, полевая и квантово-релятивистская модели материальных объектов. Как уже говорилось выше, физика изучает строение, движение и взаимодействие материальных объектов на исходных и простейших структурных уровнях деления и взаимодействия материи. Общее представление о структурных единицах деления материи и их размерах дается в таблице на переднем форзаце. [c.14] По современным представлениям. Вселенная безгранична, но может быть как бесконечной, так и конечной по размерам радиус конечной Вселенной в настоящее время оценивается как величина м, а общая масса 10 кг. Предполагается, что большая часть массы Вселенной сосредоточена в звездах, число которых составляет В таком случае во Вселенной 10 ° стабильных частиц — протонов и нейтронов, образующих вещество. [c.14] В настоящее время материя в макромире известна в двух видах в виде вещества, из которого состоят все тела, и в виде электромагнитного и гравитационного полей, заполняющих пространство и передающих действие тел друг на друга. [c.14] Для изучения материального мира его объекты — тела, элементарные частицы, электромагнитные поля и др.— заменяют моделями. Различаются следующие основные модели материальных объектов. [c.15] Классическая, или механическая, модель. Применяется для изучения материи в макромире в виде вещества, т. е. тел. Классической моделью служит материальная точка. Это точка, которой заменяют конечное тело для изучения, если размерами его можно пренебречь по сравнению с расстоянием между телами. Материальная точка наделяется массой всего тела. В классической модели тел допускается непрерывное распределение вещества в пространстве, поэтому материальная точка может выступать и как элемент объема тела, объект бесконечно малый по сравнению со всем телом. Положение материальной точки определяется в пространстве ее координатами, которые можно измерить в каждый момент времени. В тот же момент времени можно измерить и скорость движения материальной точки. [c.15] Система материальных точек моделирует систему тел, протяженное тело. Например, твердое тело — это непрерывная система материальных точек с неизменными расстояниями между ними. Существенно отметить, что для тела имеет место свойство непроницаемости, означающее, что в одном и том же месте пространства не могут находиться два тела конечных размеров. [c.15] Полевая модель. Она применяется для изучения материи в виде макроскопического физического поля. Массой поле не обладает, т. е. не сводится к системе материальных точек. Поле в пустом пространстве занимает большие области без четких границ, а энергия распределена в поле непрерывно. Существует всего два различных макроскопических поля — гравитационное и электромагнитное. Они свойством непроницаемости не обладают, т. е. могут одновременно находиться в одном и том же месте пространства. Моделируется физическое поле с помощью математического поля физической величины, принимающей в каждой точке пространства определенное значение. Так, электрическое поле моделируется непрерывной векторной функцией (х, у, г), являющейся напряженностью поля магнитное — индукцией поля В х, у, г) гравитационное — ускорением силы тяготения g x, у, г). Итак, полевая модель представляет собой некоторую функцию координат точки пространства. [c.15] Здесь константа с =3-10 м/с равна скорости распространения электромагнитных волн в вакууме. Формула (1. В) проверена в огромном числе опытов с элементарными частицами. [c.16] Формула (1.В), справедливая для микрочастиц с т Ф О, применима и для тел, так как тела состоят из этих частиц. Формула (2.В), справедливая для микрочастиц с т = О, применима и для макроскопических полей, так как поля состоят из безмассовых частиц. [c.16] Это энергия покоя, которой обладает микрочастица или тело. [c.16] В таблице на форзаце физический мир подразделен на области по пространственным масштабам. Формула (1.В) дает важный критерий классификации движений в нем по импульсам и энергиям если р С тс, то область называется классической, если р х тс или р тс — релятивистской, а при р тс — предельно релятивистской. [c.16] Указанное деление физических явлений на релятивистские и нерелятивистские существенно для фундаментальных физических теорий. Так, классическая механика относится к нерелятивистской теории, а электродинамика — к релятивистской. Что касается теорий, описывающих микрочастицы, то у них есть как нерелятивистские, так и релятивистские части. Например, в нашем курсе квантовая механика рассматривает нерелятивистские движения микрочастиц, тогда как эти движения могут быть и релятивистскими. Мы изучаем нерелятивистскую статистическую физику, хотя имеется и релятивистское ее обобщение. [c.17] Фундаментальные взаимодействия. До сих пор рассматривались так называемые свободные материальные точки и мирочастицы. Они были свободны от действия на них других точек и частиц, т. е. уединены или изолированы от них. Если несколько материальных частиц или точек находятся на конечных расстояниях друг от друга, то между ними происходит взаимодействие. Взаимодействие приводит прежде всего к изменению энергии, импульса и момента импульса взаимодействуюш,их точек, т. е. к изменению состояния системы точек. Взаимодействовать между собой могут макроскопические тела, тела и поля, а также микрочастицы. [c.17] Различают два основных проявления взаимодействия динамическое, при котором изменяется характер движения тел или микрочастиц (например, камень, притягиваясь к Земле, падает на нее с ускорением, а-частица, проходя около ядра атома, изменяет направление скорости), и статическое, при котором тела или частицы объединяются в устойчивую систему (например, нуклоны — в ядро, электроны и ядро — в атом, атомы — в тело и т. д.). [c.17] Со взаимодействием тесно связано важное для физики понятие силы. В физике о силе говорят как о действии одной материальной точки на другую, это часть взаимодействия двух точек. Количественная мера силы устанавливается по результатам взаимодействия по ускорениям материальной точки или по деформации твердого тела. [c.17] Взаимодействия характеризуют величиной силы, действующей на материальную точку, или изменением энергии взаимодействующих частиц. [c.17] Гравитационное взаимодействие универсально, т. е. проявляется для любых материальных объектов, но существенно оно только при наличии массивных тел, следовательно, на макроскопических расстояниях. Электромагнитное взаимодействие на много порядков интенсивнее гравитационного, но так как оно имеет место только для заряженных тел и частиц, то в макромире, где тела часто электро-нейтральны, уступает гравитационному взаимодействию. Однако в микромире электромагнитное взаимодействие, сильное, слабое, играет существенную роль, а гравитационное на их фоне при взаимодействии микрочастиц на малых расстояниях незаметно. Сильное и слабое взаимодействия имеют место только в микромире, на самых малых расстояниях между частицами, причем сильное превосходит электромагнитное. Подробно свойства и проявления взаимодействий изучаются в конце курса теоретической физики, а сейчас знакомство с ними необходимо для общего взгляда на физические явления и фундаментальные физические теории. [c.18] Основные модели взаимодействия. Выше рассмотрены модели материальных объектов. Обсудим теперь модели взаимодействия этих объектов между собой, применяемые в макро- и микромире. [c.18] Механическая модель. Механическая система состоит из тел, моделируемых материальными точками, расположенными на некотором расстоянии друг от друга в пустом пространстве. Никаких других объектов в системе нет. Взаимодействие между ними осуществляется на расстоянии, передаваясь мгновенно. Такое взаимодействие называют дальнодействием. Результат взаимодействия состоит в непрерывном изменении импульса и кинетической энергии материальных точек при их движении в пространстве точки движутся с ускорением. Механическая модель взаимодействия применяется в определенных условиях. Она относится к макромиру и к нерелятивистской области движения. Это значит, что не принимается в расчет конечная скорость передачи взаимодействий, а вместе с тем и их переносчик — физическое поле. Механическая модель применима только к гравитационному и электромагнитному взаимодействиям. [c.18] Полевая модель применяется к системе электрическч заряженных тел и электромагнитного поля. Взаимодействие осуществляется посредством поля, т. е. на заряженную материальную точку действует поле, созданное другими точками, а не сами эти удаленные точки. Такое взаимодействие называется близкодействием. В результате взаимодействия изменяются непрерывно как характеристики поля, так и движение материальных точек. Движение материальных точек может быть как классическим, так и релятивистским. Что касается поля, то это предельно релятивистский объект, так как распространяется в пространстве со скоростью с. [c.19] Вернуться к основной статье