Какими свойствами не может обладать физическое тело
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 )
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.
В сегодняшней статье порассуждаем о том, что такое физическое тело. Без сомнения, данный термин уже не раз встречался вам за годы школьной учебы. С понятиями «физическое тело», «вещество», «явление» мы впервые сталкиваемся на уроках природоведения. Они являются предметом изучения большинства разделов специальной науки — физики.
Согласно определению, понятие «физическое тело» обозначает определенный материальный объект, обладающий формой и явно выраженной внешней границей, которая отделяет его от внешней среды и прочих тел. Кроме того, физическому телу присущи такие характеристики, как масса и объем. Данные параметры являются базовыми. Но кроме них имеются и другие. Речь идет о прозрачности, плотности, упругости, твердости и т. п.
Физические тела: примеры
Говоря упрощенно, любой из окружающих предметов мы можем назвать физическим телом. Самые привычные их примеры — книга, стол, машина, мяч, чашка. Простым телом физика называет то, чья геометрическая форма несложна. Составные физические тела — это те, что существуют в виде комбинаций скрепленных между собой простых тел. Например, очень условно человеческую фигуру можно представить в виде совокупности цилиндров и шаров.
Материал, из которого состоит любое из тел, именуется веществом. При этом они могут содержать в своем составе как одно, так и ряд веществ. Приведем примеры. Физические тела — столовые приборы (вилки, ложки). Изготовлены они чаще всего из стали. Нож может послужить примером тела, состоящего из двух разных видов веществ — стального лезвия и деревянной рукоятки. А такое сложное изделие, как сотовый телефон, производится из гораздо большего количества «ингредиентов».
Какими бывают вещества
Они могут быть природными и созданными искусственно. В древние времена все необходимые предметы люди изготавливали из натуральных материалов (наконечники стрел — из камней, теплую одежду — из звериных шкур). С развитием технического прогресса появились вещества, созданные человеком. И в настоящее время таковых — большинство. Классическим примером физического тела искусственного происхождения может служить пластик. Каждый его вид создавался человеком с целью обеспечения нужных качеств того или иного предмета. Например, прозрачный пластик — для линз очков, нетоксичный пищевой — для посуды, прочный — для бампера автомобиля.
Любой предмет (от каменного топора до высокотехнологичного устройства) обладает рядом определенных качеств. Одно из свойств физических тел — это их способность притягиваться друг к другу в результате гравитационного взаимодействия. Измеряется оно при помощи физической величины, именуемой массой. По определению физиков, масса тел — это мера их гравитации. Она обозначается символом m.
Измерение массы
Данная физическая величина, как и любая другая, поддается измерению. Чтобы узнать, какова масса любого предмета, нужно сравнить его с эталоном. То есть с телом, масса которого принимается за единицу. Международной системой единиц (СИ) им считается килограмм. Такая «идеальная» единица массы существует в виде цилиндра, представляющего собой сплав иридия и платины. Данный международный образец хранится во Франции, а копии его имеются почти в каждой из стран.
Помимо килограмма используют понятие тонны, грамма или миллиграмма. Измеряют же массу тела взвешиванием. Это классический способ для повседневных расчетов. Но в современной физике есть и другие методы измерений, гораздо более современные и высокоточные. С их помощью определяют массу микрочастиц, а также гигантских объектов.
Другие свойства физических тел
Форма, масса и объем — важнейшие из характеристик. Но существуют и прочие свойства физических тел, каждое из которых важно в определённой ситуации. Например, предметы равного объема могут значительно различаться своей массой, то есть иметь разную плотность. Во многих ситуациях важны такие характеристики, как хрупкость, твердость, упругость или магнитные качества. Не следует забывать о теплопроводности, прозрачности, однородности, электропроводности и прочих многочисленных физических свойствах тел и веществ.
В большинстве случаев все подобные характеристики зависят от тех веществ или материалов, из которых предметы состоят. Например, резиновые, стеклянные и стальные шарики будут обладать абсолютно разными наборами физических качеств. Это имеет значение в ситуациях взаимодействий тел между собой, например изучении степени деформации их при сталкивании.
О принятых приближениях
Определенные разделы физики физическое тело рассматривают в качестве некой абстракции, обладающей идеальными характеристиками. Например, в механике тела представляются в виде материальных точек, не имеющих массы и прочих свойств. Данный раздел физики занимается движением таких условных точек, и для решения поставленных здесь задач подобные величины принципиального значения не имеют.
В научных расчетах часто применяется понятие абсолютно твердого тела. Таковым условно считается не подверженное никаким деформациям, с отсутствием смещения центра массы тело. Данная упрощенная модель позволяет теоретически воспроизводить ряд определенных процессов.
Раздел термодинамики в своих целях использует понятие абсолютно черного тела. А это что такое? Физическое тело (некий абстрактный предмет), способное поглощать любые попадающие на его поверхность излучения. При этом, если задача того требует, им могут излучаться электромагнитные волны. Если по условиям теоретических расчетов форма физических тел не принципиальна, по умолчанию считается, что она шарообразная.
Почему свойства тел так важны
Сама физика как таковая произошла от необходимости постичь законы, по которым ведут себя физические тела, а также механизмы существования разнообразных внешних явлений. К природным факторам можно отнести любые изменения в окружающей нас среде, не относящиеся к результатам человеческой деятельности. Многие из них люди используют себе на пользу, но другие могут быть опасными и даже катастрофическими.
Исследование поведения и самых разных свойств физических тел необходимо для людей в целях предсказания неблагоприятных факторов и предупреждения либо уменьшения наносимого ими вреда. Например, строительством волноломов люди привыкли бороться с негативными проявлениями морской стихии. Противостоять землетрясениям человечество научилось разработкой особых сейсмоустойчивых конструкций зданий. Несущие части автомобиля изготавливаются в особой, тщательно выверенной форме для уменьшения повреждений при авариях.
О структуре тел
Согласно другому определению, термин «физическое тело» подразумевает всё то, что можно признать реально существующим. Любое из них обязательно занимает часть пространства, а вещества, из которых они состоят, являются совокупностью молекул определённой структуры. Другие, более мелкие частицы его — атомы, но и каждый из них не является чем-либо неделимым и совершенно простым. Строение атома достаточно сложно. В его составе можно выделить положительно и отрицательно заряженные элементарные частицы — ионы.
Структура, согласно которой такие частицы выстраиваются в определённую систему, для твердых тел носит название кристаллической. Любой кристалл обладает определенной, строго фиксированной формой, что говорит об упорядоченном движении и взаимодействии его молекул и атомов. При изменении структуры кристаллов происходит нарушение физических свойств тела. От степени подвижности элементарных составляющих зависит его агрегатное состояние, которое может быть твердым, жидким или газообразным.
Для характеристики данных сложных явлений используется понятие коэффициентов сжатия или объемной упругости, которые являются взаимно обратными величинами.
Движение молекул
Состояние покоя ни атомам, ни молекулам твёрдых тел не присуще. Они находятся в постоянном движении, характер которого зависит от теплового состояния тела, и воздействий, которым оно в данный момент подвергается. Часть элементарных частиц — отрицательно заряженных ионов (именуемых электронами) движется с большей скоростью, чем имеющих положительный заряд.
С точки зрения агрегатного состояния, физические тела — это твердые предметы, жидкости или газы, что зависит от характера молекулярного движения. Вся совокупность твердых тел может быть поделена на кристаллические и аморфные. Движение частиц в кристалле признано полностью упорядоченным. В жидкостях молекулы двигаются по совершенно другому принципу. Они переходят из одной группы в другую, что можно образно представить подобно кочующим из одной небесной системы в другую кометам.
В любом из газообразных тел молекулы обладают гораздо более слабой связью, чем в жидких или твердых. Частицы там можно назвать отталкивающимися друг от друга. Упругость физических тел определяется сочетанием двух главных величин — коэффициента сдвига и коэффициента объемной упругости.
Текучесть тел
При всех значительных отличиях твердых и жидких физических тел между собой в свойствах их много общего. Часть из них, именуемых мягкими, занимают промежуточное агрегатное состояние между первыми и вторыми с присущими и тем, и другим физическими свойствами. Такое качество, как текучесть, можно обнаружить в твердом теле (пример — лед или сапожный вар). Присуще оно и металлам, в том числе достаточно твердым. Под давлением большинство из них способно течь подобно жидкости. Соединив и нагрев два твердых куска металла, возможно спаять их в единое целое. Причём процесс спаивания протекает при температуре гораздо более низкой, чем точка плавления каждого из них.
Данный процесс возможен при условии полного соприкосновения обеих частей. Именно таким способом получают различные металлические сплавы. Соответствующее свойство именуют диффузией.
О жидкостях и газах
По результатам многочисленных экспериментов ученые пришли к следующему выводу: твёрдые физические тела — это не какая-то обособленная группа. Различие между ними и жидкими состоит лишь в большем внутреннем трении. Переход веществ в разные состояния происходит в условиях определённой температуры.
Газы отличаются от жидкостей и твердых тел тем, что увеличения силы упругости даже при сильном изменении объёма в них не происходит. Различие между жидкостями и твердыми телами — в возникновении упругих сил в твердых телах при сдвиге, то есть изменении формы. Данного явления не наблюдается в жидкостях, которые могут принять любую из форм.
Кристаллические и аморфные
Как уже упоминалось, два возможных состояния твердых тел — аморфное и кристаллическое. К аморфным относятся тела, обладающие одинаковыми физическими свойствами по всем направлениям. Данное качество именуются изотропностью. В качестве примера можно привести затвердевшую смолу, изделия из янтаря, стекло. Их изотропность — результат беспорядочного расположения молекул и атомов в составе вещества.
В кристаллическом состоянии элементарные частицы расположены в строгом порядке и существуют в виде внутренней структуры, периодически повторяющейся в разных направлениях. Физические свойства таких тел отличаются, но в параллельных направлениях они совпадают. Такое свойство, присущее кристаллам, именуют анизотропностью. Ее причина — неодинаковая сила взаимодействия между молекулами и атомами в разных направлениях.
Моно- и поликристаллы
У монокристаллов внутренняя структура однородная и повторяется во всем объеме. Поликристаллы выглядят как множество хаотично сросшихся друг с другом небольших кристаллитов. Составляющие их частицы располагаются на строго определённом расстоянии друг от друга и в нужном порядке. Под кристаллической решеткой понимается совокупность узлов, то есть точек, служащих центрами молекул либо атомов. Металлы с кристаллической структурой служат материалом для каркасов мостов, зданий и других прочных конструкций. Именно потому свойства кристаллических тел тщательно изучаются в практических целях.
На реальные характеристики прочности оказывают негативное воздействие дефекты кристаллической решетки, как поверхностные, так и внутренние. Подобным свойствам твёрдых тел посвящен отдельный раздел физики, именуемый механикой твердого тела.