Понятието маса във физическата наука

Въвеждането на понятието маса е много важно. Този въпрос тревожи учените от древни времена. Масата се разглежда като количество вещество. От средата на 19 век започва да се обсъжда въпросът за определяне на стойността на масата. Критикува се определението на Нютон, който го определя като количество, пропорционално на обема на тялото и неговата плътност. Появяват се редица други определения.

Имаше и много методи за въвеждане на понятието маса. Въпросът за това как най-добре да се дефинира или въведе понятието маса е обсъждан както през 19 век, така и през 20 век, и все още се обсъжда.

Следователно спешността на този проблем ме подтикна да проуча въвеждането на тази концепция.

Основната цел на курсовата работа беше да се проучи и анализира методологията за формиране на понятието маса в курса на физиката в гимназията. Обект на използване на курсовата работа беше процесът на преподаване на физика в средното училище, а предмет на изследване: методологията за формиране на основни физически понятия. За да се постигне основната цел на работата, беше необходимо да се решат следните задачи:

1. Анализ на научна и методическа литература по темата на изследването.

2. Разглеждане на различни дефиниции на понятието маса.

3. Оценка на подходите за въвеждане на понятието маса в 6, 9, 11 клас.

По време на курсовата работа бяха използвани следните изследователски методи:

Теоретичен анализ на методическа литература по тази изследователска тема.
Анализ на учебниците по физика и учебните програми по физика за 6, 9 и 11 клас.

урок по физика масова енергия

Масата (от гръцки mbw) е една от най-важните физически величини. Първоначално (XVII - XIX век) той характеризира "количеството материя" във физически обект, от което според тогавашните идеи зависи както способността на обекта да се противопоставя на приложената сила (инерция), така и гравитационните свойства - тегло. Тясно свързана с понятията "енергия" и "импулс" (според съвременните концепции масата е еквивалентна на енергията на почивка).

Парижката камара за теглилки и мерки съхранява стандартите на основните мерни единици - маса (килограм) и дължина (метър). Стандартът на масата е тегло, направено от сплав от платина и иридий и е поставено в тази камера през 1889 година. Копия от стандарта също се съхраняват в Русия, във В.И. Менделеев, който всъщност създава Главната камара за теглилки и мерки през 1893 г., предшественик на този институт.

Маса в нютонова механика.

Както е известно, масата в нютоновата механика има редица важни свойства и се проявява, така да се каже, в няколко облика:

1. Масата е мярка за количеството на материята, количеството на материята.

2. Масата на съставното тяло е равна на сумата от масите на съставните му тела.

3. Масата на изолирана система от тела се запазва, не се променя с времето.

4. Масата на тялото не се променя при преминаване от една референтна рамка към друга, в частност тя е една и съща в различни инерционни координатни системи.

6. Масите на телата са източникът на тяхното гравитационно привличане едно към друго.

Нека обсъдим по-подробно последните две свойства на масата.

Като мярка за инерция на тялото масата на тялото се появява във формулата, свързваща инерцията на тялото p и неговата скорост v:

Масата също е включена във формулата за кинетичната енергия на тялото Ek:

Eк = p 2/2m = mv 2/2. (1.2)

Поради хомогенността на пространството-времето, инерцията и енергията на свободно тяло се запазват в инерционната координатна система. Инерцията на дадено тяло се променя с течение на времето само под въздействието на други тела:

където F е силата, действаща върху тялото. Като се има предвид, че по дефиниция на ускорението a

и вземем предвид формули (1.1) и (1.3), тогава получаваме

Нека сега се обърнем към гравитацията. Потенциалната енергия на привличане между две тела с маси М и m (например Земя и камък) е равна на

където G - 6.710 -11 Nm 2 kg -2 (припомнете, че 1 N = 1 kgms 2). Силата, с която Земята привлича камък е

където радиусният вектор r, свързващ центровете на масата на телата, е насочен от Земята към камъка. (Със същата, но противоположно насочена сила камъкът привлича Земята.)

От формули (1.7) и (1.5) следва, че ускорението на тяло, свободно падащо в гравитационно поле, не зависи от неговата маса. Ускорението в земното поле обикновено се обозначава с g:

G = Fg/m = - GMr/r 3. (1,8)

Както е лесно да се изчисли, замествайки във формулата (1.8) стойностите на масата и радиуса на Земята (Mz "610 24 kg, Rz" 6.410 6 m), g "9.8 m/s 2 .

За първи път универсалността на величината g е установена от Галилей, който стигна до извода, че ускорението на падаща топка не зависи нито от масата на топката, нито от материала, от който е направена. Тази независимост е тествана с много висока степен на точност в началото на 20 век. Eötvös и в редица скорошни експерименти. Независимостта на гравитационното ускорение от масата на ускореното тяло в учебния курс по физика обикновено се характеризира като равенство на инерционната и гравитационната маса, като се има предвид, че едно и също количество m влиза както във формула (1.5), така и във формули ( 1.6) и (1.7).

Тук няма да обсъждаме другите свойства на масата, изброени в началото на този раздел, тъй като те изглеждат очевидни от гледна точка на здравия разум. По-специално, никой не се съмнява, че масата на вазата е равна на сумата от масите на нейните фрагменти:

Никой също не се съмнява, че масата на два автомобила е равна на сумата от техните маси, независимо дали стоят или се втурват с максимална скорост един към друг.

Отношението на Айнщайн E = mc 2. Естествено е да зададем въпроса как се реализира мирното съжителство на взаимно изключващи се формули в литературата и в съзнанието на читателите:

Преди да потърся отговор на този въпрос, нека още веднъж ви напомня, че според първата формула енергията на покой Е0 съответства на масата на тялото в покой, а според второто всяко тяло с енергия Е има маса E/c 2. Според първата, телесната маса не се променя, когато се движи. Според втория, телесното тегло се увеличава с увеличаване на телесната скорост. Според първия фотон без маса, според втория фотонът има маса, равна на E/c 2 .

За да отговорим на поставения въпрос за съвместното съществуване на формули, ще трябва да се обърнем към историята на създаването, тълкуването и признаването на специалната теория на относителността.

Обикновено раждането на теорията на относителността се свързва със статията на Айнщайн от 1905 г., в която относителността на едновременността е ясно формулирана. Но, разбира се, работата по създаването и интерпретацията на теорията започва много преди 1905 г. и продължава дълго време след това.

Ако говорим за интерпретация, тогава процесът, очевидно, все още продължава. В противен случай няма да има нужда да пишете тази статия. Що се отнася до признанието, може да се каже, че дори в края на 1922 г., когато Айнщайн е удостоен с Нобелова награда, теорията на относителността не е била общоприета.

Секретарят на Шведската академия на науките пише на Айнщайн, че Академията му е присъдила Нобелова награда за откриването на закона за фотоелектричния ефект, "но без да обмисля стойността, която ще бъде призната за вашите теории на относителността и гравитацията, след като те се потвърждават в бъдеще. ".

Формулата E = mc 2 се появява през 1900 г., преди създаването на теорията на относителността. Той е написан от А. Поанкаре, който изхожда от факта, че плоска светлинна вълна, носеща енергия Е, носи импулс р, чиято абсолютна стойност, в съответствие с теоремата на Пойнтинг, е равна на Е/с. Използвайки нерелативистката формула на Нютон за импулс p = mv от и като взе предвид, че за светлината v = c, Поанкаре стигна до заключението, че фотонът трябва да има инертна маса m = E/c 2 .

Година по-рано, през 1899 г., Лоренц за първи път въвежда концепцията за надлъжни и напречни маси на йони, първата от които нараства с нарастваща скорост като 3, а втората като. Той стигна до това заключение, използвайки нютоновата връзка между сила и ускорение F = ma.

И така, в началото на века, както разбираме сега, незаконното използване на нерелативистки формули за описване на релативистки обекти, възниква семейство от „маси“, нарастващо с енергията на тялото:

"релативистка маса" m = Ес 2 (1.12)

"напречна маса" mt = m (1.13)

"надлъжна маса" ml = m 3 (1.14)

Имайте предвид, че при m 0 релативистката маса е равна на напречната, но за разлика от напречната, тя присъства и за безмасови тела, за които m = 0. Тук използваме буквата m в обичайния смисъл, тъй като използвахме го в първата част на тази статия. Но всички физици през първите пет години на този век, т.е. преди създаването на теорията на относителността, но (много, дори след създаването на теорията на относителността, наричаха масата и обозначавана с буквата m релативистката маса, както направи Поанкаре през 1900 г. И тогава, неизбежно, друга, четвърта термин "маса на покой", който започва да означава m0. Терминът "маса на покой" започва да нарича обичайната маса, която в последователно представяне на теорията на относителността се обозначава m [6].

В съвременната физика понятието "количество материя" има различно значение, а масата се разбира като две различни свойства на физическия обект:

- Гравитационната маса показва с каква сила тялото взаимодейства с външните гравитационни полета - всъщност тази маса е основата за измерване на масата чрез претегляне в съвременната метрология и какво гравитационно поле се създава от самото тяло (активна гравитационна маса) - тази маса се появява в закона за всеобщата гравитация.

- Инерционна маса, която характеризира мярката на инерция на телата и се появява във втория закон на Нютон. Ако произволна сила в инерционна референтна система ускорява еднакво различни първоначално неподвижни тела, на тези тела се приписва една и съща инерционна маса.

Гравитационната и инерционната маса са равни помежду си (почти с гигантска точност на реда), а в повечето физически теории - точно), поради което в повечето случаи те просто говорят за маса, без да посочват коя от тях имат предвид.

Масата на тялото не зависи от скоростта на тялото и от това какви външни сили действат върху това тяло. В класическата механика масата на система от тела е равна на сумата от масите на съставните й тела, но в теорията на относителността е показано, че масата на системата в общия случай не е равна на аритметичната сума на масите на компонентите, включително енергията на свързване, както и енергията на движение на частиците една спрямо друга.

Понятието маса е въведено във физиката от Нютон; преди това естествените учени са оперирали с понятието тегло. Тежестта е силата на действие на тялото върху опора (или друг тип закрепване в случай на окачени тела), която се появява в полето на гравитационните сили. В своята работа „Математически принципи на естествената философия“ Нютон първо определя „количеството материя“ във физическото тяло като продукт на неговата плътност и обем. Освен това той посочи, че ще използва термина маса в същия смисъл. И накрая, Нютон въвежда масата в законите на физиката: първо във втория закон на Нютон (чрез импулса), а след това в закона за гравитацията, от който веднага следва, че теглото е пропорционално на масата.

Всъщност Нютон използва само две разбирания за масата: като мярка за инерция и източник на гравитация. Тълкуването му като мярка за "количеството на материята" не е нищо повече от графична илюстрация и още през 19 век беше критикувано като нефизично и безсмислено.

Дълго време законът за запазване на масата се смяташе за един от основните природни закони. През XX век обаче стана ясно, че този закон е ограничена версия на закона за запазване на енергията и в много ситуации не се спазва [4].