Номер 3, страница 90 - гдз по физике 10 класс учебник Касьянов

Параграф 20. Третий закон Ньютона. 3. Динамика материальной точки. Механика - номер 3, страница 90.

Условие.

3. Для каких фундаментальных взаимодействий применим третий закон Ньютона?

Решение.

3. Решение

Третий закон Ньютона утверждает, что силы, с которыми два тела действуют друг на друга, всегда равны по модулю и противоположны по направлению:

$\vec{F}_{12} = -\vec{F}_{21}$

где $\vec{F}_{12}$ — сила, действующая на первое тело со стороны второго, а $\vec{F}_{21}$ — сила, действующая на второе тело со стороны первого.

Этот закон является следствием более фундаментального закона природы — закона сохранения импульса. Для замкнутой системы, состоящей из двух тел, закон сохранения импульса гласит, что полный импульс системы остается постоянным. Закон сохранения импульса является универсальным и выполняется для всех известных фундаментальных взаимодействий.

Однако применимость третьего закона Ньютона в его классической, простой формулировке зависит от характера взаимодействия, а именно от того, можно ли считать взаимодействие мгновенным.

Рассмотрим применимость закона для каждого из четырех фундаментальных взаимодействий:

Гравитационное и электромагнитное взаимодействия.
Эти два взаимодействия являются дальнодействующими. Согласно современным физическим теориям (общая теория относительности и электродинамика Максвелла), они распространяются в пространстве с конечной скоростью — скоростью света $c$. Это означает, что действие силы не передается мгновенно. Если взаимодействующие тела движутся с ускорением, то сила, действующая на одно тело в данный момент времени, определяется положением и состоянием другого тела в предыдущий момент времени. Из-за этой задержки силы действия и противодействия, приложенные к двум телам в один и тот же момент времени, в общем случае не будут равны по модулю и противоположны по направлению. Таким образом, третий закон Ньютона в его простой форме для этих взаимодействий не выполняется в общем случае.

Тем не менее, закон сохранения импульса остается в силе. Чтобы он выполнялся, необходимо учитывать импульс, который переносится полем (гравитационным или электромагнитным). Полный импульс системы «тела + поле» сохраняется.

Третий закон Ньютона применим к этим взаимодействиям лишь в статических или квазистатических случаях:
- В ньютоновской гравитации для неподвижных или медленно движущихся тел.
- В электростатике для неподвижных зарядов (закон Кулона).

Сильное и слабое ядерные взаимодействия.
Эти взаимодействия являются короткодействующими. Их радиус действия чрезвычайно мал (порядка размеров атомного ядра). Из-за этого время, необходимое для передачи взаимодействия от одной частицы к другой, пренебрежимо мало. Такие взаимодействия можно считать контактными или квазиконтактными. В этом приближении задержкой можно пренебречь, и можно считать, что третий закон Ньютона выполняется. То есть силы, возникающие при сильном или слабом взаимодействии между двумя частицами, можно считать равными по модулю и противоположными по направлению.

Вывод:

Закон сохранения импульса, из которого следует третий закон Ньютона, универсален для всех взаимодействий. Однако сам третий закон Ньютона в его классической формулировке ($\vec{F}_{12} = -\vec{F}_{21}$) строго применим только для контактных сил и для дальнодействующих сил в статическом приближении.
- Для сильного и слабого взаимодействий он является хорошим приближением из-за их короткодействующего характера.
- Для гравитационного и электромагнитного взаимодействий он нарушается в общем случае из-за конечной скорости распространения и выполняется только в статике.

Ответ: Третий закон Ньютона в его классической форме строго применим для сильного и слабого фундаментальных взаимодействий, поскольку они являются короткодействующими. Для дальнодействующих гравитационного и электромагнитного взаимодействий этот закон применим только в статическом или квазистатическом приближении (например, для неподвижных тел и зарядов), но нарушается в общем случае для движущихся с ускорением тел из-за конечной скорости распространения взаимодействий. Однако более общий принцип — закон сохранения импульса — выполняется для всех фундаментальных взаимодействий без исключения.