Курсовая работа: Методика формирования понятия массы в курсе физики средней школы
6. Массы тел являются источником их гравитационного притяжения друг к другу.
Обсудим более подробно два последних свойства массы.
Как мера инерции тела, масса тела выступает в формуле, связывающей импульс тела р и его скорость v:
p = mv. (1.1)
Масса входит также и в формулу для кинетической энергии тела Ек :
Eк = p2 /2m = mv2 /2. (1.2)
В силу однородности пространства времени импульс, и энергия свободного тела сохраняются в инерциальной системе координат. Импульс данного тела меняется со временем только под воздействием других тел:
dp/dt = F, (1.3)
где F - сила, действующая на тело. Если учесть, что по определению ускорения а
a = dv/dt, (1.4)
и учесть формулы (1.1) и (1.3), то получим
F = mа. (1.5)
В этом соотношении масса снова выступает как мера инерции. Таким образом, в ньютоновой механике масса как мера инерции определяется двумя соотношениями: (1.1) и (1.5). Одни авторы предпочитают определять меру инерции соотношениями (1.1), другие - соотношением (1.5). Для предмета нашей статьи важно лишь, что оба эти определения совместимы в ньютоновой механике.
Обратимся теперь к гравитации. Потенциальная энергия притяжения между двумя телами с массами М и m (например, Земли и камня), равна
Ug = - GMm/r, (1.6)
где G - 6,7×10-11 Н×м2 кг-2 (напомним, что 1 Н = 1 кг×м×с2 ). Сила, с которой Земля притягивает камень, равна
Fg = - GMmr/r3 , (1.7)
где радиус-вектор r, соединяющий центры масс тел, направлен от Земли к камню. (С такой же, но противоположно направленной силой камень притягивает Землю.)
Из формул (1.7) и (1.5) следует, что ускорение тела, свободно падающего в гравитационном поле, не зависит от его массы. Ускорение в поле Земли обычно обозначают g:
G = Fg /m = - GMr/r3 . (1.8)
Как нетрудно оценить, подставив в формулу (1.8) значения массы и радиуса Земли (Мз " 6×1024 кг, Rз " 6,4×106 м), g" 9,8 м/с2 .
Впервые универсальность величины g была установлена Галилеем, который пришел к выводу, что ускорение падающего шара не зависит ни от массы шара, ни от материала, из которого он сделан. С очень высокой степенью точности эта независимость была проверена в начале XX в. Этвешем и в ряде недавних экспериментов. Независимость гравитационного ускорения от массы ускоряемого тела в школьном курсе физики обычно характеризуют как равенство инертной и гравитационной массы, имея при этом в виду, что одна и та же величина m входит как в формулу (1.5), так и в формулы (1.6) и (1.7).
Мы не будем здесь обсуждать другие свойства массы, перечисленные в начале этого раздела, поскольку они кажутся самоочевидными с точки зрения здравого смысла. В частности, ни у кого не вызывает сомнения, что масса вазы равна сумме масс её осколков:
m = Smi (1.9)
Никто не сомневается также в том, что масса двух автомобилей равна сумме их масс независимо от того, стоят они или мчатся с предельной скоростью навстречу друг другу.
Соотношении Эйнштейна Е = mс2 . Естественно задать вопрос, каким образом осуществляется в литературе и умах читателей мирное сосуществование взаимоисключающих формул:
Е0 = mс2 (1.10)
Е = mс2 (1.11)
Прежде чем искать ответ на этот вопрос, еще раз напомню, что согласно первой формуле массе покоящегося тела отвечает энергия покоя Е0 , а согласно второй любое тело с энергией Е имеет массу Е/с2 . Согласно первой масса тела не меняется при его движении. Согласно второй масса тела растет с ростом скорости тела. Согласно первой фотон без массы, согласно второй у фотона есть масса, равная Е/с2 .