5.5. Фундаментальные физические величины

Физические величины позволяют исследовать объекты природы и выявлять их свойства. Фундаментальные физические величины обладают законом сохранения и свойством аддитивности. Эти величины отражают устойчивые свойства, присущие объекту. К этим величинам относятся: масса, заряд, импульс, момент импульса и полная энергия тела.

Масса – это количество материи тела, она является универсальной характеристикой инертности и гравитации. Следовательно, она является мерой инертности и гравитации. Впервые Галилей установил равенство инертной и гравитационной массы. Чем массивнее тело, тем больше его инертность. Масса - скалярная величина и не зависит от выбора начала системы отсчета. В изолированных системах она обладает законом сохранения. При малых скоростях ( «с) масса обладает свойством аддитивности, т.е. масса целого объекта равна сумме масс его частей.

Заряд - это фундаментальная характеристика заряженных частиц и тела. Он является источником электрических, магнитных и электромагнитных полей. Не движущийся заряд создает стационарное электрическое поле, движущийся с постоянной скоростью заряд создает магнитное поле, а ускоренно движущийся заряд создает электромагнитное поле. Минимальная «порция» заряда равна заряду электрона: е=1,6ּ10^–19 Кл. Остальные заряды меняются кратно к заряду электрона.

Импульс – это произведение массы тела на его скорость: =mּ . Импульс является фундаментальной характеристикой движения. Ньютон, в качестве характеристики движения предложил использовать импульс. Импульс - векторная величина, имеет направление, совпадающие с направлением скорости движения. В изолированных системах импульс имеет закон сохранения. Закон сохранения импульса до и после удара имеет вид:

m₁ּ +m₂ּ = m₁ּ +m₂ּ , при упругом ударе,

m₁ּ +m₂ּ = (m₁ +m₂) ּ , при пластическом ударе.

Моментом импульса обладают все вращающиеся частицы или тела. Его численное значение определяют по формуле , где - угловая скорость, а = mr²- момент инерции. Он является фундаментальной характеристикой вращательного движения. Она обладает законом сохранения в изолированных системах. Закон сохранения момента импульса имеет вид: L=const, т.е. L₁=L₂ или I_{1 1}=J_{2 2}. Этот закон легко проверяется на опыте при помощи скамьи Жуковского. Вектор момента импульса тела направлен вдоль оси вращения и определяет величины кинетической энергии вращения: W_к.вр.=I /2=L /2.

Полная энергия является фундаментальной характеристикой всяких частиц и тела. Механическая полная энергия состоит из суммы потенциальной и кинетической энергии: W=W_п+W_к= =mgh+m /2. Эйнштейн установил, что полная энергия тела складывается из энергии покоя (W₀), кинетической энергии и потенциальной энергии : . Энергия покоя тела W₀= m₀c² показывает эквивалентность энергии и массы, т.е. всякая масса обладает соответствующей определенной энергией. Здесь - масса покоя тела или частиц. Для свободной частицы потенциальной энергией можно пренебречь, тогда получим:

W_k=W-W₀=mc² + m₀c², (где m = m₀/ )

Законы сохранения являются важнейшим инструментом в исследовании природы.