Замкнутая система в физике это кратко

Обновлено: 05.07.2024

Замкнутая система - это система, на которую внешние силы не действуют.
В физике замкнутой системой называется такая система, в которой сохраняется энергия. Эта система не обменивается энергией с окружающим миров и поэтому она не взаимодействует с окружающим пространством и не обменивается с ним ни энергией ни веществом. Если система замкнута, то на неё не действует никаких сил.
В реальности абсолютно замкнутых систем не существует. Это теоретическая абстракция применяется, когда взаимодействие системы с окружающим пространством много меньше, чем взаимодействия внутри замкнутой системы.

Замкнутая система- система тел, для которых равнодействующая внешних сил равна нулю. например, при взаимодействии (ударе ) двух шаров можно пренебречь силой тяжести. Снайперская винтовка из которой производится выстрел и пуля, тоже условно замкнутая система. Сила тяжести винтовки и пули с силой реакции опоры винтовки- компенсируют друг друга. Эти силы не будут влиять на горизонтальное движение. А винтовка и пуля -система, в которой винтовка действует на пулю, а пуля на винтовку. Тела поменялись "движением, а физики говорят импульсом.

Это система тел, которые взаимодействуют только друг с другом. Нет внешних сил взаимодействия.

В реальном мире такой системы не может быть, нет возможности убрать всякое внешнее взаимодействие. Замкнутая система тел - это физическая модель, как и материальная точка является моделью. Это модель системы тел, которые якобы взаимодействуют только друг с другом, внешние силы не берутся во внимание, ими пренебрегают.

Физики часто произносят такие слова: тело, взаимодействие, связь, система.

Когда мы решаем задачи, то рассматриваем в них события, процессы, интересующие нас тела с окружающими их телами, как какие-то системы.

В широком смысле, система – это нечто, связанное определенной целью. Оно состоит из отдельных элементов, и связей между этими элементами.

Рис. 1. Элементы системы символически обозначены пронумерованными кружками, связи между элементами — стрелками

Виды систем

Все системы можно условно разделить на два вида:

открытые (разомкнутые) системы;
закрытые (замкнутые) системы.

Открытые системы

Элементы открытой системы могут взаимодействовать как с элементами системы, так и внешними, по отношению к системе, элементами.

Пример: Ученики класса на перемене. Они могут общаться с одноклассниками и с учащимися других классов.

Закрытые системы

Элементы могут взаимодействовать только с элементами, принадлежащими этой системе. С элементами, внешними по отношению к системе, взаимодействия нет.

Пример: Ученики класса на уроке, они могут общаться только с одноклассниками и учителем, находящимися в помещении. С учениками других классов они общаться не могут.

В обоих примерах:

ученический класс – это система
ученики – это элементы системы.
общение – это связи между учениками (элементами).

Зачем знать, открытая, или закрытая система

Важное свойство замкнутых систем:

В замкнутых системах выполняются законы сохранения.

В открытых системах законы сохранения не работают. Сохраняться ничего не будет, так как внешняя среда своим воздействием будет вызывать потери чего-либо, или наоборот, увеличение чего-либо (например, энергии).

Как по условию задачи понять, что система замкнута

В задачниках по физике часто встречаются намек на то, что рассматриваемую систему можно считать замкнутой. Для этого в условиях задач применяют такие слова:

поверхность гладкая,
трение отсутствует,
трение мало,
трение не учитывать,
сопротивление воздуха мало,
сопротивление движению отсутствует,
и т. п.

Если мы встретим такие слова в условии задачи, то для решения задачи можно применять законы сохранения.

В замкнутой системе нет взаимодействия с окружением. В незамкнутой - есть.
Изолированная система (замкнутая cистема) — термодинамическая система, которая не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией. В термодинамике постулируется (как результат обобщения опыта), что изолированная система постепенно приходит в состояние термодинамического равновесия, из которого самопроизвольно выйти не может (нулевое начало термодинамики).

Система называется замкнутой(изолированной 1 ), если ее компоненты не взаимодействуют с внешними сущностями, а также отсутствуют потоки вещества, энергии и информации из системы или в нее.

Примером физической замкнутой системы может служить горячая вода и пар в термосе. В замкнутой системе количество вещества и энергии остается неизменным. Количество же информации может изменяться как в сторону уменьшения, так и увеличения – в этом просматривается еще одна особенность информации как исходной категории мироздания. Замкнутая система является некоторой идеализацией (модельным представлением), поскольку полностью изолировать какую-то совокупность компонентов от внешних воздействий невозможно.

Закон сохранения импульса

Закон сохранения импульса формулируется так:

если сумма внешних сил, действующих на тела системы, равна нулю, то импульс системы сохраняется.

Тела могут только обмениваться импульсами, суммарное же значение импульса не изменяется. Надо только помнить, что сохраняется векторная сумма импульсов, а не сумма их модулей.

Зако́н сохране́ния и́мпульса (Зако́н сохране́ния количества движения) утверждает, что векторная сумма импульсов всех тел (или частиц) замкнутой системы есть величина постоянная.

В классической механике закон сохранения импульса обычно выводится как следствие законов Ньютона. Из законов Ньютона можно показать, что при движении в пустом пространстве импульс сохраняется во времени, а при наличии взаимодействия скорость его изменения определяется суммой приложенных сил.

Как и любой из фундаментальных законов сохранения, закон сохранения импульса описывает одну из фундаментальных симметрий, — однородность пространства.

При взаимодействии тел импульс одного тела может частично или полностью передаваться другому телу. Если на систему тел не действуют внешние силы со стороны других тел, то такая система называется замкнутой.

В замкнутой системе векторная сумма импульсов всех тел, входящих в систему, остается постоянной при любых взаимодействиях тел этой системы между собой.

Этот фундаментальный закон природы называется законом сохранения импульса. Он является следствием из второго и третьего законов Ньютона.

Рассмотрим какие-либо два взаимодействующих тела, входящих в состав замкнутой системы.

Силы взаимодействия между этими телами обозначим через и По третьему закону Ньютона Если эти тела взаимодействуют в течение времени t, то импульсы сил взаимодействия одинаковы по модулю и направлены в противоположные стороны: Применим к этим телам второй закон Ньютона:

где и– импульсы тел в начальный момент времени, и – импульсы тел в конце взаимодействия. Из этих соотношений следует:

Это равенство означает, что в результате взаимодействия двух тел их суммарный импульс не изменился. Рассматривая теперь всевозможные парные взаимодействия тел, входящих в замкнутую систему, можно сделать вывод, что внутренние силы замкнутой системы не могут изменить ее суммарный импульс, т. е. векторную сумму импульсов всех тел, входящих в эту систему.

Рис.1

При указанных допущениях законы сохранения имеют вид

(1)
(2)
Произведя соответствующие преобразования в выражениях (1) и (2), получим
(3)
(4)
откуда
(5)
Решая уравнения (3) и (5), находим
(6)
(7)
Разберем несколько примеров.

Проанализируем выражения (8) в (9) для двух шаров различных масс:

а) m₁=m₂. Если второй шар до удара висел неподвижно (ν₂=0) (рис. 2), то после удара остановится первый шар (ν₁'=0), а второй будет двигаться с той же скоростью и в том же направлении, в котором двигался первый шар до удара (ν₂'=ν₁);

Рис.2

б) m₁>m₂. Первый шар продолжает двигаться в том же направлении, как и до удара, но с меньшей скоростью (ν₁' ν₁' ) (рис. 3);

Рис.3

в) m₁ >m₁ (например, столкновение шара со стеной). Из уравнений (8) и (9) следует, что ν₁'= -ν₁; ν₂' ≈ 2m₁ν₂'/m₂.

2. При m₁=m₂ выражения (6) и (7) будут иметь вид ν₁'= ν₂; ν₂'= ν₁; т. е. шары равной массы как бы обмениваются скоростями.

Абсолютно неупругий удар - соударение двух тел, в результате которого тела соединяются, двигаясь дальше как единое целое. Абсолютно неупругий удар можно продемонстрировать с помощью шаров из пластилина (глины), которые движутся навстречу друг другу (рис. 5).

Рис.5

Если массы шаров m₁ и m₂, их скорости до удара ν₁ и ν₂, то, используя закон сохранения импульса

где v - скорость движения шаров после удара. Тогда
(15.10)
В случае движения шаров навстречу друг другу они вместе будут продолжать движение в ту сторону, в которую двигался шар с большим импульсом. В частном случае, если массы шаров равны (m₁=m₂), то

Определим, как изменяется кинетическая энергия шаров при центральном абсолютно неупругом ударе. Так как в процессе соударения шаров между ними действуют силы, зависящие от их скоростей, а не от самих деформаций, то мы имеем дело с дисипативными силами, подобным силам трения, поэтому закон сохранения механической энергии в этом случае не должен соблюдаться. Вследствие деформации происходит уменьшение кинетической энергии, которая переходит в тепловую или другие формы энергии. Это уменьшение можно определить по разности кинетической энергии тел до и после удара:

Используя (10), получаем

Если ударяемое тело было первоначально неподвижно (ν₂=0), то

Когда m₂>>m₁ (масса неподвижного тела очень велика), то ν >m₂), тогда ν≈ν₁ и почти вся энергия тратится на возможно большее перемещение гвоздя, а не на остаточную деформацию стены.
Абсолютно неупругий удар - это пример потери механической энергии под действием диссипативных сил.

Замкнутая и не замкнутая системы.

Электри́ческий заря́д — это свойство материальных тел, выражающееся к способности особого рода взаимодействия; количественная характеристика, показывающая степень возможного участия тела в электромагнитном взаимодействии. Единица измерения заряда в СИ — кулон. Впервые электрический заряд был введён в законе Кулона в 1785 году. Заряд в один кулон очень велик. Если бы два заряда (q1=q2=1Кл) расположили в вакууме на расстоянии 1 м, то они взаимодействовали бы с силой 9 * 10 9 H.

Носителями электрического заряда являются электрически заряженные элементарные частицы — электрон (один отрицательный элементарный электрический заряд) и протон (один положительный элементарный заряд).

Электрический заряд замкнутой системы [1] сохраняется во времени и квантуется — изменяется порциями, кратными элементарному электрическому заряду. Закон сохранения заряда — один из основополагающих законов физики. Величина электрического заряда (иначе, просто электрический заряд) – численная характеристика носителей заряда и заряженных тел, которая, может принимать положительные и отрицательные значения. Эта величина определяется таким образом, что силовое взаимодействие, переносимое полем между зарядами, прямо пропорционально величине зарядов взаимодействующих между собой частиц или тел, а направления сил, действующих на них со стороны электромагнитного поля, зависят от знака зарядов. Электрический заряд любой элементарной частицы присущ этой частице в течение всего времени ее жизни, поэтому элементарные заряженные частиц зачастую отождествляют с их электрическими зарядами. ). В системе СИ электрический заряд измеряется в кулонах (Кл). Наиболее известные элементарные носители заряда – электроны, имеющие отрицательный заряд и протоны, имеющие такой же по величине положительный заряд. Заряд электрона Кл. Электрический заряд любого заряженного тела кратен модулю заряда электрона, так называемому, элементарному заряду Кл. В целом, в природе отрицательных зарядов столько же, сколько положительных. Электрические заряды атомов и молекул равны нулю, а заряды положительных и отрицательных ионов в каждой ячейке кристаллических решеток твердых тел скомпенсированы.

История

Читайте также: