Номер 6, страница 211 - гдз по физике 10 класс учебник Мякишев, Синяков

Вопросы. Параграф 2.14. Примеры решения задач. Глава 2. Законы механики Ньютона. Динамика - номер 6, страница 211.

Условие.

6. Подготовьте сообщение «Как появилось понятие «масса» в физике?».

Решение.

Понятие «масса» — одно из фундаментальных в физике, однако его современное понимание формировалось на протяжении многих веков, пройдя путь от интуитивных представлений до сложных концепций квантовой теории поля.

1. Античные и доклассические представления

В древности не существовало четкого различия между массой и весом. Философы, такие как Аристотель, связывали с телами свойство «тяжести» или «легкости». Тяжелые тела, по его мнению, естественным образом стремились к центру Вселенной (которым считалась Земля), а легкие — вверх. Понятие инерции, то есть способности тела сохранять состояние покоя или движения, отсутствовало. Считалось, что для поддержания движения необходима постоянная сила. Таким образом, на этом этапе существовало лишь интуитивное понятие о «количестве вещества» в теле, которое отождествлялось с его весом.

2. Роль Кеплера и Галилея в становлении понятия

Прорыв в понимании природы движения начался в эпоху Возрождения. Немецкий астроном Иоганн Кеплер в начале XVII века был одним из первых, кто использовал латинский термин massa для описания «количества материи» в небесных телах. Он предположил, что планеты обладают своего рода «косностью» или инертностью, которая пропорциональна количеству вещества в них и заставляет их сопротивляться изменению своего движения.

Примерно в то же время итальянский ученый Галилео Галилей своими экспериментами заложил основу для разделения понятий массы и веса. Изучая падение тел, он пришел к выводу, что в отсутствие сопротивления воздуха все тела падают с одинаковым ускорением, независимо от их веса. Это шло вразрез с учением Аристотеля. Галилей также сформулировал принцип инерции, согласно которому тело сохраняет свою скорость (в том числе и нулевую), если на него не действуют внешние силы. Это было ключевым шагом к пониманию массы как меры инертности тела.

3. Формализация понятия массы Исааком Ньютоном

Окончательно понятие массы было введено в физику Исааком Ньютоном в его труде «Математические начала натуральной философии» (1687 г.). Ньютон дал массе два фундаментальных определения.

Во-первых, он определил инертную массу как меру инертности тела, то есть его свойства сопротивляться изменению скорости под действием силы. Это свойство количественно выражается во втором законе Ньютона:

$ \vec{a} = \frac{\vec{F}}{m_{инерт}} $

где $ \vec{a} $ — ускорение, $ \vec{F} $ — сила, а $ m_{инерт} $ — инертная масса. Чем больше масса, тем меньшее ускорение сообщит телу одна и та же сила.

Во-вторых, Ньютон ввел понятие гравитационной массы в своем законе всемирного тяготения:

$ F_g = G \frac{m_{грав1} \cdot m_{грав2}}{r^2} $

Здесь гравитационная масса ($ m_{грав} $) выступает как источник гравитационного поля и определяет силу, с которой тела притягиваются друг к другу. Ньютон провел точные эксперименты с маятниками и установил, что инертная и гравитационная массы для любого тела строго пропорциональны друг другу (а при правильном выборе единиц — равны). Этот факт, известный как принцип эквивалентности, в классической механике выглядел как удивительное совпадение.

4. Развитие понятия в XX веке: теория относительности

В начале XX века Альберт Эйнштейн коренным образом пересмотрел ньютоновские представления о пространстве, времени и массе. В специальной теории относительности (СТО) он показал, что масса объекта не является постоянной величиной, а зависит от его скорости. Он вывел знаменитую формулу эквивалентности массы и энергии:

$ E = mc^2 $

где $ E $ — полная энергия тела, $ m $ — его масса, а $ c $ — скорость света в вакууме. Эта формула показала, что масса является одной из форм энергии. Даже покоящееся тело обладает огромной энергией, заключенной в его массе (энергией покоя $ E_0 = m_0c^2 $). Это открытие объяснило источник энергии звезд и легло в основу ядерной энергетики.

В общей теории относительности (ОТО) Эйнштейн использовал принцип эквивалентности инертной и гравитационной масс как один из своих постулатов. В ОТО гравитация — это не сила, а проявление искривления пространства-времени, которое создается массой и энергией. Таким образом, масса «говорит» пространству-времени, как ему искривляться, а искривленное пространство-время «говорит» массе, как ей двигаться.

5. Современное понимание массы в физике элементарных частиц

Современная физика, в частности Стандартная модель элементарных частиц, дает еще более глубокое объяснение происхождения массы. Согласно этой теории, масса элементарных частиц (таких как электроны и кварки) не является их внутренним свойством, а возникает в результате их взаимодействия с полем Хиггса, пронизывающим всю Вселенную. Частицы, которые сильно взаимодействуют с этим полем, приобретают большую массу, а те, что не взаимодействуют (например, фотоны), остаются безмассовыми. Экспериментальное открытие бозона Хиггса в 2012 году стало убедительным подтверждением этого механизма.

При этом масса составных частиц, таких как протоны и нейтроны, образуется в основном не за счет массы составляющих их кварков. Около 99% их массы — это энергия движения кварков и энергия сильного взаимодействия, связывающего их вместе (согласно формуле $ E = mc^2 $).

Ответ: Понятие массы в физике прошло долгий путь эволюции: от нечеткого отождествления с весом в античности до строгого научного определения в работах Ньютона, который выделил инертную и гравитационную массы. В XX веке Эйнштейн установил фундаментальную связь массы с энергией и пространством-временем. Современная физика объясняет происхождение массы элементарных частиц через их взаимодействие с полем Хиггса, а массу сложных частиц, таких как протоны, — в основном за счет энергии связи их компонентов. Таким образом, понятие «масса» превратилось из простой меры «количества вещества» в сложную характеристику, связанную с инерцией, гравитацией, энергией и фундаментальными полями Вселенной.