Свойства какого тела изучают в физике
Виды тел в физике
В зависимости от того, из чего состоят физические тела, различают несколько их видов. Так, они бывают:
- твёрдыми;
- жидкими;
- газообразными.
В первом случае в их составе — твёрдые вещества, и они имеют определённую форму. Можно привести такие примеры физических тел: песчинка, валун, автомобиль, стол. В окружающем человека мире их множество — как природные, так и рукотворные. Последние называются предметами.
Второй вид — жидкие объекты, например, вода в стакане. Их характерная черта состоит в том, что они не имеют собственной формы и принимают очертания предмета, внутри которого находятся. Так, жидкость в стакане будет иметь одну форму, в аквариуме или бензобаке — другую.
Третий вид — газообразные. Для них характерно то, что при отсутствии ограничений они свободно распространяются в окружающей среде. Их очертания (форма), как и во втором случае, определяются границами внешнего твёрдого объекта (ёмкости). В отличие от жидких, в соответствии со свойствами газов, они заполняют весь доступный объём.
Принципиальная разница в свойствах
Твёрдые, жидкие и газообразные тела обладают значительными отличиями. С точки зрения физики, они вызваны разным строением веществ, из которых эти объекты состоят, и разной степенью притяжения их молекул. Так, твёрдые вещества бывают:
- Кристаллическими — расположение молекул или атомов (ионов) в них строго упорядочено.
- Аморфными — не имеют определённого порядка расположения.
- Высокомолекулярными, в которых положение атомов в молекулах определено, но сами молекулы располагаются в веществе хаотично.
Частицы в твёрдом веществе и, соответственно, твёрдом физическом объекте, сильно притягиваются друг к другу и находятся в постоянном движении. В жидкости притяжение слабее, но все же его достаточно для того, чтобы такие вещества сохраняли свою структуру, но не хватает для удержания формы жидких веществ, поэтому под действием силы тяжести жидкости принимают форму сосуда.
Связь между структурными частицами в газах ещё более слабая. Молекулы (атомы) в них расположены на расстоянии, значительно превышающем собственный размер частиц. Поэтому газы можно сильно сжать, но формы они не имеют, заполняя весь предоставленный объём.
Свойства веществ определяют характеристики состоящих или изготовленных из них объектов.
Текучесть как свойство
Несмотря на значительные отличия, у твёрдых и жидких тел есть и сходные свойства. Существуют так называемые мягкие объекты, занимающие промежуточное положение и обладающие свойствами и одних, и других. Например, характерную для жидкостей текучесть могут показывать и твёрдые объекты или вещества, такие как сапожный вар, лёд, даже некоторые металлы. Последние демонстрируют свойства жидкостей при воздействии высокого давления.
Так, если соединить два металлических куска в необходимой последовательности, можно под высоким давлением получить прочное соединение — они как бы спаяются в единое целое. Интересно, что нагревать их до температуры плавления для этого не потребуется. Таким методом на основе диффузии (взаимного проникновения частиц) получают некоторые металлические сплавы.
Простые и составные
Применяется ещё одна классификация, в зависимости от того, имеются ли в телах составные части. Так, составным называют такое из них, которое имеет неоднородное строение и представляет собой комбинацию (соединение) нескольких простых, считающихся однородными. Такая классификация была принята для проведения упрощённых расчётов при работе с физическими телами, в которых не учитываются изменения внутреннего состояния реальных объектов, а также разрушения вследствие приложенной извне силы.
Например, человека, при изучении его путём теоретических исследований в качестве физического объекта, корректно рассматривать, как совокупность простых форм — цилиндров, шаров (если пренебречь тем, что любое человеческое тело имеет полости).
Тела и вещества
Из определения физического тела следует, что обозначаться этим термином могут абсолютно все предметы вокруг, созданные как человеком, так и природой. Кристаллики соли, предметы мебели и оргтехники, воздух в воздушном шаре, вода в стакане — все они имеют признаки физических тел: определённый объём и массу, размеры и т. д.
Все физические объекты состоят из различных веществ. Чтобы разобраться, что в физике понимают под термином «физическое тело», необходимо различать эти понятия. Слово «вещество» — название качественного проявления материи. В физике его рассматривают как форму материи, не имеющую заряда и обладающую массой покоя. С точки зрения химии, вещество — вид материи, состоящий из молекул, ионов или атомов, обладающий определёнными химическими свойствами, а значит, и вступающий в те или иные химические реакции. Изучать вещества в рамках соответствующих задач могут как физика, так и химия.
Вещество образует физический объект, занимая определённое свободное пространство. Так, золото — это вещество, а золотое кольцо — тело. Другой пример: вода является веществом, а её капля или вода в ёмкости — тело.
Принятые в науке приближения
В современной физике в определённых случаях рассматривают некие абстрактные тела с идеальными характеристиками. Это прежде всего касается механики. В этом разделе рассматривается движение идеальных физических точек, которые не имеют массы и прочих физических свойств. Для поставленных задач эти величины не имеют значения, ими можно пренебречь.
При расчётах также нередко используется абстрактное понятие абсолютно твёрдого тела. Отличаться от обычных оно будет отсутствием смещения центра массы и неподверженностью любым деформациям.
Абсолютно чёрное тело — ещё одна абстракция, используемая в термодинамике. Под ней понимают объект, который способен поглотить абсолютно любое электромагнитное излучение, достигшее его поверхности. Стоит отметить, что оно само может испускать излучение, если таковы условия задачи, и визуально может быть не только чёрным. То, каким будет спектр его излучения, связано только с температурой абсолютно чёрного объекта.
Ещё одно приближение: любой рассматриваемый в физической задаче предмет по умолчанию считается шарообразным, если его форма не имеет значения.
Природные явления и тела
Возникновение физической науки связано именно с необходимостью исследования поведения физических объектов и их взаимодействия между собой, а также с природными явлениями. Так, создание рукотворных предметов особой конструкции способно задержать движение природной стихии во время шторма, защитить от ураганов. Катастрофические последствия землетрясений для людей преодолеваются путём проектирования и возведения строений особой формы, обладающих определёнными свойствами.
Другой пример: создание автомобиля особой конструкции, позволяющей уменьшить его повреждения при контакте с другими твёрдыми объектами во время автокатастрофы. Всё это стало возможным, благодаря изучению закономерностей взаимодействия физических объектов (тел) между собой, с природными и другими явлениями.
Пройти этот сложный путь физика смогла за много столетий и самые значительные открытия, несомненно, ещё впереди.
Источник
Предметом изучения многих разделов физики является поведение физических тел, их свойства и особенности взаимодействия друг с другом.
Однако, прежде чем приступать к их изучению, необходимо определить, что такое физическое тело и какими характеристиками оно обладает.
Физическое тело – определение
В физике, говоря о физическом теле, подразумевают некий материальный объект, обладающий формой, определённой внешней границей, отделяющей его от других тел и внешней среды, а также соответствующим этой форме объемом и массой.
Помимо вышеперечисленных базовых характеристик, физическое тело может обладать рядом других свойств – плотностью, прозрачностью, твёрдостью/упругостью и т.д. Все предметы, которые нас окружают, являются физическими телами. Чашка, письменный стол, мяч, книга, грузовик – все они с точки зрения физики являются физическими телами.
Физики различают простые тела, обладающие простой геометрической формой, и составные, которые представляют собой скреплённые между собой комбинации простых тел. Такое представление необходимо для упрощения расчётов, особенно в случаях, когда внутреннее состояние физического тела не играет большой роли в исследуемом процессе. К примеру, тело человека можно рассматривать как совокупность шаров и цилиндров.
Свойства физических тел
Помимо формы, объёма и массы, физические тела характеризуются рядом других свойств, которые могут иметь важное значение для различных ситуаций. Так, одинаковые по объёму тела нередко различаются по массе и, соответственно, по плотности. Кроме того, в ряде случаев важны и другие характеристики тел – их твёрдость, хрупкость, упругость, магнитные свойства, прозрачность, теплопроводность, однородность, электропроводность и т.д. Во многом эти свойства зависят от материалов, из которых состоят физические тела.
Так, шары, изготовленные из резины, бетона, шерсти, стекла и стали, будут иметь совершенно разные наборы физических свойств. Однако их свойства будут иметь значение лишь в том случае, когда исследуются взаимодействия тел друг с другом – например, необходимо выяснить степень деформации тех или иных тел при столкновении.
Абсолютно твёрдое тело, материальная точка и другие абстракции
В некоторых разделах физики тела рассматриваются не в совокупности присущих им свойств, а как некие абстракции, которым присваиваются идеальные характеристики. Так в механике все тела представлены как материальные точки, без учёта их массы и других физических свойств. Эта дисциплина изучает движение материальных точек без учёта их реальных размеров и массы, поскольку для решения ряда задач эти величины не важны. Если вы рассчитываете среднюю скорость поезда на определённом интервале пути, вам совершенно не нужно знать, сколько в поезде вагонов.
Нередко физики для выполнения каких-либо расчётов используют понятие абсолютно твёрдого тела. Оно никогда не подвергается деформации, его центр массы не смещается, что позволяет без лишнего усложнения моделировать ряд процессов. Для решения термодинамических задач удобно бывает использовать абсолютно чёрное тело – абстрактный предмет, поглощающий все излучения, падающие на его поверхность.
При этом само тело может излучать электромагнитные волны, если того требует поставленная задача. В случаях, когда форма физического тела не имеет значения, подразумевается, что оно имеет форму шара.
Физическое тело и физическое явление
Физика как наука возникла из-за необходимости выявления законов поведения физических тел и механизмов образования природных явлений. Фактически, все изменения в нашей среде обитания, не связанные с деятельностью человека, являются природными явлениями. Большинство из них полезны людям, но встречаются и опасные, и даже катастрофические природные явления.
Людям необходимо исследовать свойства и поведение физических тел, которые принимают в них участие, чтобы научиться предсказывать неблагоприятные явления, предупреждать их либо уменьшать наносимый ими вред. Так, пагубное действие морских волн давно научились снижать путём строительства волноломов – бетонных выступов, заходящих в море на десятки метров и разбивающих единый фронт волны.
Разрушительный эффект землетрясений преодолевается строительством сейсмоустойчивых зданий особой конструкции. Чтобы уменьшить повреждения при контакте автомобиля с твердыми объектами, несущим конструкциям его кузова придаётся особая форма. Всё это стало возможным благодаря изучению характеристик физических тел.
( 2 оценки, среднее 4.5 из 5 )
Источник
Изображение взято из открытых источников
В этом цикле статей я постараюсь рассказать в простой и доступной форме о такой науке, как физика. Эти уроки будут полезны как студентам, так и школьникам, а так же любым другим людям, которые внезапно захотели освежить свои знания.
Для начала, давайте разберемся, а что же такое “физика”? Вот что пишет Википедия (цитата):
«Фи́зика (от др.-греч. φύσις — природа) — область естествознания. Наука о простейших и вместе с тем наиболее общих законах природы, о материи, её структуре и движении. Законы физики лежат в основе всего естествознания».
Если сказать простыми словами, физика – это наука о природе. Здесь под природой имеется в виду не только леса, поля и луга, но планета в целом, а так же космос и вообще вся материальная Вселенная, включая микромир (атомы и элементарные частиц) и макромир (звезды и галактики). Для чего это нужно знать? Полагаю, ответ очевиден. Знание об окружающем мире позволяют наиболее эффективно с этим самым миром взаимодействовать себе на благо. Например, когда наши древние предки узнали о том, что металл при высокой температуре (в огне) плавиться, они смогли усовершенствовать свои орудия труда, сделав их не каменными а металлическими. Это позволило затрачивать на их изготовление меньше усилий и времени: вылить или выковать предмет из металла гораздо проще, чем сделать его из камня путем ударов камнями друг о друга. А в наше время благодаря физике стало возможно изобрести автомобили, телефоны, компьютеры и даже запускать корабли в космос.
Теперь поговорим о разделах физики. Их довольно много, разберём самые основные:
- Механика. Это, по сути начальный раздел физики. Основа основ, так сказать. Давайте сначала разберем точное определение, а потом переведем его на понятный язык. И так меха́ника (греч. μηχανική — искусство построения машин) — раздел физики, наука, изучающая движение материальных тел и взаимодействие между ними; при этом движением в механике называют изменение во времени взаимного положения тел или их частей в пространстве (цитата из википедии). Ну а если по русский, то механика – это наука о разных механизмах, о том, как они друг на друга влияют, о движении и силах, которые могут действовать на разные предметы и что из этого получается. Благодаря механике были изобретены механические часы, колесо, мельница и многое другое. А вот автомобиль был изобретен не только благодаря механике, а еще и другим разделам физики, например, термодинамике. Сама механика делиться на три раздела. Кинематика – наука о движении, динамика – наука движении под действием разных сил, статика – наука о силах без движения.
- Термодинамика. Наука о тепловой энергии, ее превращении и взаимодействии с другими видами энергии. Благодаря знаниям из этой области физики, были изобретены такие устройства, как двигатель внутреннего сгорания в автомобиле, паровой двигатель в старых поездах, батареи центрального отопления и многое другое.
- Молекулярная физика. В некотором роде это продолжение термодинамики, но с учетом того знания, что все вещества состоят из молекул. Развитие этой науки привело к появлению таких дисциплин, как физика твердого тела, физическая химия, молекулярная биология, физика металлов, физика полимеров, кристаллофизика, физика плазмы и многое другое.
- Электричество и магнетизм. Благодаря этой науке мы имеем многочисленные устройства, работающие на электрической энергии – холодильники, телевизоры, компьютеры. Компьютеры, кстати, были изобретены не только благодаря знаниям в области электричества, но так же благодаря таким наукам, как молекулярная физика, атомная физика и квантовая механика.
- Атомная физика. Раздел физика, занимающийся строением атома. Благодаря этим знаниям были изобретены различные полупроводниковые приборы, в частности транзисторы, которые легли в основу всех полупроводниковых устройств, в том числе современных компьютеров.
- Ядерная физика. Этот раздел изучает строение и свойства атомных ядер, он логический вытекает из атомной физики. К сожалению, этот раздел физики принес человечеству очень много вреда (изобретение атомной бомбы), возможно, даже больше, чем пользы. И все из-за того, что есть такие нехорошие люди, всякие там генералы и прочие военные, которые все открытия стремятся использовать в первую очередь для убийств. Но нельзя сказать, что ядерная физика не принесла никакой пользы. Во первых, ядерную энергию научились использовать и в мирных целях, а во вторых, как развитие ядерной физики, появились такие физические дисциплины, как физика элементарных частиц и квантовая механика.
- Физика элементарных частиц. Как оказалось, не только атом делиться на ядро и электроны, но и само ядро состоит из протонов, нейтронов а так же других частиц. И все эти частицы (электроны, протоны, нейтроны) могу друг с другом взаимодействовать, порождая другие частицы. Да и некоторые частицы тоже оказались делимыми, и при том, они обладают различными свойствами. Все это изучает физика элементарных частиц.
- Квантовая механика. Оказалось, что элементарные частицы совсем не такие, как предметы окружающего мира. Это не кусочки чего-то твердого, как например, камень, а какая-то неведомая штуковина, описанная математическими формулами, которая может находиться в разных местах одновременно и обладает другими экзотическими свойствами. По сути, квантовая механика занимается тем, что изучает эти самые элементарные частицы и описывает их поведение математическими формулами. Какая от всего этого польза? На первый взгляд, польза не совсем очевидна, по крайней мере, для сегодняшнего дня. Если конечно, не считать того, что для создания таких сложных полупроводниковых устройств, как компьютер, уже необходимо учитывать квантовомеханические эффекты. Хотя уже сейчас созданы простейшие компьютеры, вычисления которых основаны исключительно на квантовых эффектах, так называемые квантовые компьютеры. Пройдет какое-то время, и квантовые компьютеры станут такой же обыденной вещью, как ноутбук или сотовый телефон. Только вот по мощности квантовые компьютеры во много превзойдут обычные. А уж что будет дальше, остается только гадать. Может, знания в области квантовой механики позволят людям построить звездолет и полететь на Альфа Центавру, а так же колонизировать другие планеты.
- Теория относительности. Это раздел физики, изучающий пространство, время, гравитацию и их взаимосвязь. Время в этой теории рассматривается не как простой хронометраж событий, как понимает его большинство людей, а как некую неведомую штуковину, описанную формулами, которая неразрывно связанная с пространством. А само пространство – это такая же неведомая штукенция, тоже описанная формулами. Дело в том, что внезапно оказалось, что законы механики иногда не работают. Иными словами, при помощи формул было вычислено, например, как должна двигаться какая-нибудь планета, наблюдаемая астрономами, ну, скажем Марс. А она, сволочь такая, двигается не совсем так. Погрешность не большая, но достаточная, что бы поставить под сомнение законы классической механики. Это привело к созданию теории относительности, согласно которой чем быстрее движется тело, тем больше его движение отклоняется от законов механики. Это самое отклонение так же можно вычислить по формуле. Для земных скоростей оно даже не заметно. Но совсем другое дело для звездолета, летящего на Альфа Центавру со скоростью, близкой к скорости света (скорость света примерно 300000 км/с). В этом случае наблюдаться различные релятивистические эффекты. В частности, замедление времени. Может случиться так, что пока космонавты куда то летали на звездолете, на Земле прошли века, все их родственники давно умерли от старости, а для экипажа прошло всего то, допустим, пару месяцев и они вернулись такие же молодые, как и полетели. Может возникнуть вопрос, а откуда все это узнали, если таких звездолетов еще не изобрели? А все дело в том, что все эти формулы проверили при помощи очень точных приборов, которые позволяют замерить те самые мизерные отклонения, характерные для относительно медленных скоростей.
- Теория струн. А вот это еще более сложный раздел физики, чем квантовая механика и теория относительности. Она объединяет и ту и другую дисциплину. Дело в том, что внезапно оказалось, что теория относительности и квантовая механика противоречат друг другу. Что бы убрать эти противоречия, были выдвинуты новые гипотезы, которые легли в основу теории струн.
Следующий урок. Физика для чайников. Урок 2. Механика.
Источник