Все законы по физике

Содержание

Астронет | Картинка дня | Обзоры astro-ph | Новости | Статьи | Книги | Карта неба | Созвездия | Переменные Звезды | A&ATr | Глоссарий

планета Астронет | Физика космоса | Биографии | Словарь | Ключевые слова | Астрономия в России | Форумы | Семинары | Сверхновые

Как работают в космосе законы физики

K.A.Постнов

Современное понимание Вселенной неразрывно связано с фундаментальными представлениями о строении материи о основных формах взаимодействий между ее составными частями. В природе известны четыре типа взаимодействий — гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное. Гравитационное взаимодействие наиболее универсальное, оно существует между любыми формами материи — частицами и полями и не требует существования каких-либо специфических свойств (например, электрического или цветового заряда). Второе по распространненности в природе — электрослабое взаимодействие. Электомагнитное взаимодействие осуществляется между электрически заряженными лептонами и кварками с помощью квантов электромагнитного поля — фотонов, безмассовых частиц, движущихся со скоростью света. Безмассовость фотона обеспечивает дальнодействие (т.е. отсутствие выделенного масштаба взаимодействия и зависимость силы взимодействия обратно пропорционально квадрату расстояния между заряженными частицами). Слабое взаимодействие (т.е. процессы с участием нейтрино) происходит между лептонами (электронами, мюонами, нейтрино) и кварками, составляющими адроны (протоны, нейтроны, мезоны и т.д.). Это взаимодействие имеет место на малых расстояниях см, т.к. переносчиком слабого взаимодействия служат массивные промежуточные частицы — электрически заряженные и нейтральный -бозоны с массами покоя около 100 МэВ (примерно 1/10 массы покоя протона). Наконец, сильное взаимодействие осуществляется в ядрах атомов между кварками с помощью промежуточных частиц — глюонов, обладающих цветовым зарядом (красный, зеленый, голубой). Характерный масштаб сильного взаимодействия см. В отличие от остальных сил, ядерное взаимодействие между кварками растет с увеличением расстояния между ними (явление конфайнмента), поэтому в обычных условиях свободных кварков не существует. Основные взаимосвязи между силами в природе описываются с помощью физических законов и принципов. К ним относятся:

  • Принцип общей относительности (все законы физики должны быть одинаковы в любых системах отсчета)
  • Принцип постоянства скорости света в вакууме в любых системах отсчета
  • Принцип эквивалентности (никакими экспериментами невозможно отличить движение с ускорением от нахождения в однородном поле тяжести)

К этому списку следует добавить фундаментальные соотношения квантовой механики, описывающие микромир. К наиболее важным относится:

  • принцип неопределенности Гайзенберга, запрещающий одновременное точное измерение положения частицы в пространстве и ее импульса (количества движения)
  • принцип Паули, запрещающий иметь в одном и том же месте пространства более двух частиц с полуцелым спином (т.н. фермионов — электронов, нейтронов, нейтрино) с одним и тем же импульсом.

Кроме того, для любой замкнутой системы должны выполняться первое и второе начало термодинамики (закон сохранения энергии и закон неубывания энтропии). По своей сути законы физики являются феноменологическими, т.е. представляют собой обобщение опытных данных. В этом смысле космос часто по праву называют уникальной природной лабораторией, которой надо только умело пользоваться. Ниже мы рассмотрим некоторые наиболее яркие проявления законов физики в космосе.

Фундаментальные взаимодействия

Тяготение

Наблюдения астрономических явлений привело человечество к ряду важнейших открытий. Самый изветсный и важный пример — закон всемирного тяготения. Этот закон был сформулирован И.Ньютоном на основе законов планетных движений, выведенных нем. астрономом И.Кеплером в начале 17 в. Закон всемирного тяготения Ньютона используется вплоть до настоящего времени для изучения движения естественных и искусственных космических тел в Солнечной системе, так как поправки к движению тела со скоростью в более точной релятивистской теории тяготения к закону Ньютона имеют порядок ( — скорость света). Для характерных скоростей тел в Солнечной системе в десятки км/с эти поправки, очевидно, малы. В 19 в. триумфом теории тяготения Ньютона и математических методов аналитической механики стало предсказание существования новой планеты — Нептуна — Адамсом и Ле Верье. В 1916 г. А.Эйнштейн, используя принципы эквивалентности и относительности, сформулировал релятивистское обобщение теории тяготения Ньютона — общую теорию относительности (ОТО). Согласно ОТО, любая форма материи и ее движение являются источником гравтиации, которая математически интерпретируется как «искривление» пространства-времени. Кривизна плоской кривой по определению обратно пропорциональна радиусу окружности, касающейся кривой в данной точке. Так, кривизна прямой линии равна нулю, а кривизна правильной окружности радиуса есть просто . Аналогично, кривизна n-мерной поверхности определяется обратным радиусом (n+1)-мерной сферы, касающейся поверхности в данной точке, и т.д. В общей теории относительности роль «поверхности» играет 4-мерное пространство-время.

Всякое свободное движение тела в поле тяжести происходит по траекториям, называемым геодезическими линиями. В плоском пространстве-времени (т.е. без гравитации или вдали от тяготеющего центра) геодезические являются прямыми линиями. Чем сильнее поле тяготения, тем больше кривизна геодезической. Движение тела по кривой линии соответствует движению с ускорением, направленным внутрь кривизны траектории (ускорение силы тяжести). Движение с ускорением вдоль прямой возможно если это геодезическая, проходящая через центр тяжести тела (случай со свободным падением тел вблизи поверхности Земли). Этот случай реализуется, когда момент импульса тела (векторное произведение импульса тела на радиус-вектор) относительно центра тяжести системы точно равен нулю. Если есть составляющая вектора скорости, препендикулярная направлению вектора свободного падения, тело начинает двигаться по одному из конических сечений (эллипсу, параболе или гиперболе) с фокусом в центре притяжения (первый закон Кеплера!) в соответствии с тем, отрицательна, равна нулю или положительна полная энергия (кинетическая плюс потенциальная) системы взаимодейтсвующих гравитационно тел. Правильность представлений ОТО о тяготении стала подтверждаться уже вскоре после ее создания. В 1919 г. англ. астрофизик А.Эддингтон провел наблюдения отклонения лучей света звезд в поле тяготения Солнца во время полного солнечного затмения. Измеренный угол оказался около 2 угловых секунд, как следовало по теории Эйнштейна (по Ньютоновской теории этот угол должен быть вдвое меньшим). Более тонкий пример — объяснение смещения перигелия орбиты Меркурия на 43 угловых секунды в столетие. В рамках теории Ньютона такое смещение не удавалось объяснить сколь-нибудь естественным образом — так, например, для этого предлагалось искать еще одну внутреннюю планету, которой не было и нет. Этот эффект носит чисто релятивистский характер. Грубо говоря, он связан с тем, что в ОТО сила тяготения убывает с расстоянием несколько медленнее, чем по закону обратных квадратов. Возрастание роли релятивистских эффектов наглядно видно при уменьшении радиуса сферического тела постоянной массы (т.е. при увеличении плотности тела). Как уже отмечалось, эффекты ОТО становятся важными при скоростях тел, приближающихся к скорости света. Естественной скоростью для нашего тела служит вторая космическая скорость (параболическая скорость, или скорость убегани) , которую надо придать пробной частице на поверхности, чтобы она смогла уйти от тела на произвольно большое расстояние. Так как эффекты ОТО пропорциональны , получаем, что для любого тела существует характерный радиус (называемый гравитационным радиусом), начиная с которого формально . Величина гравитационного радиуса км. Пока , можно во всех практически важных случаях пользоваться тяготением Ньютона. По мере приближения радиуса тела к роль релятивистских эффектов возрастает, и при возникает качественно новая ситуация — удаленный наблюдатель перестает получать с поверхности тела любую информацию, т.к. иначе ее следовало бы передавать со скоростью больше скорости света. Для удаленного наблюдателя образуется как говорят горизонт событий, причем для самого сжимающегося тела момент пересечения принципиально ничем не выделяется. Появление горизонта характеризует образование черной дыры. Падение частиц и полей в черную дыру всегда увеличивает размер ее горизонта (за исключением черных дыр очень малой массы, когда существенными становятся эффекты квантовомеханического испарения). Из современных астрофизических наблюдений следует существование очень массивных (в 100 млн. масс Солнца) черных дыр в ядрах активных галактик и квазарах. Известно также около 10 черных дыр с массой около 10 солнечных, входящих в состав тесных рентгеновских двойных звезд в нашей Галактике. Из ОТО вытекает существование гравитационных волн — распространяющихся со скоростью света малых возмущений пространства-времени. Доказано, что гравитационнные волны переносят энергию и момент импульса. Они столь слабы, что существенно излучаются лишь космическими телами больших звездных масс движущимися с околосветовыми скоростями. Наиболее известный пример космических источников гравитационных волн — двойные звездные системы, состоящие из двух нейтронных звезд с массами около 1.4 масс Солнца, вращаюшихся по вытянутым орбитам вокруг общего центра тяжести с периодами несколько часов. Такие системы обнаружены среди двойных радиопульсаров, когда одна нейтронная звезда из пары является радиопульсаром. Изучая времена прихода импульсов от пульсара, можно с помощью эффекта Допплера изучать тонике особенности движения такой нейтронной звезды. Из-за уноса энергии гравитационными волнами орбитальный период таких систем должен постоянно уменьшаться. Этот эффект был обнаружен у ряда двойных пульсаров (наиболее известный пример — PSR 1913+16), хотя изменение орбитального периода составляет крайне малую величину около одной десятитысячной доли секунды в год! Прямое детектирование гравитационных волн требует создания очень чувствительных детекторов, строительство которых ведется в США, Западной Европе и Японии. Из-за универсального характера тяготения именно ОТО служит основой для описания строения и эволюции Вселенной в целом. Еще в начале 1920-х гг. выдающийся русский математик А.А.Фридман показал, что уравнения ОТО Эйнштейна не имеют независящих от времени решений. В применении ко Вселенной это означало, что расстояние между любыми удаленными объектами, не связанными гравитационно (например, удаленными галактиками) должно непрерывно изменяться во времени. Этот революционный вывод вскоре был подтвержден наблюдениями красных смещений в спектрах далеких галактик, проводеденных Э.Хабблом. Хаббл обнаружил, что существует прямая зависимость между красным смещением галактики и расстоянием до нее: , где — постоянная Хаббла. Закон Хаббла прямо следует из теории Фридмана и т.о. релятивистская теория тяготения прямо подтверждается в метагаликтических масштабах. Современное значение постоянной Хаббла км/с/Мпк. Уточненеие этой величины, опаределяющей современную скорость расширения Вселенной, — одна из основных задач наблюдательной космологии.

Электромагнитное взаимодействие

Электромагнитное и слабое взаимодействия следуют за гравитационным по своей распространенности в природе. Основная информация, которую мы получаем о космических объектах, переносится переменным электромагнитным полем — электромагнитными волнами (фотонами). Генерация электромагнитных волн связана с ускоренным движением электрических зарядов (в основном электронов). В отличие от гравитационных волн, генерация которых требует когерентного движения больших масс вещества, рождение электромагнитных волн в космосе происходит при хаотическом (тепловом) движении отдельных частиц космической плазмы, спонтанных и вынужденных переходах возбужденных атомов и при рекомбинации свободных электронов на атомные уровни. Кроме этого важным источником электромагнитного излучения во многих космических объектах являются релятивистские электроны, движущиеся в магнитном поле (синхротронное излучение), а также рассеяние фотонов на свободных электронах (комптон-эффект). Свечение звезд обязано происходящим в их недрах термоядерным реакциям синтеза. Рождающиеся при этом рентгнеовские фотоны многократно рассеиваются, поглощаются и переизлучаются, прежде чем достичь внешних слоев звезд (фотосферы), из которых они могут свободно покидать звезду. Температуры фотосфер в тысячи раз меньше, чем в центре звезд, поэтому основное излучение звезд приходится на оптическую, УФ и ИК-области спектра. Фотоны уносят большую часть энергии, осовобождаемую при термоядерных реакциях. В звездной плазме температуры (даже в фотосфере) столь высоки, что кинетическая энергия движения частиц намного превышает их потенциальную энергию кулоновского взаимодействия, поэтому вещество в обычных звездах с высокой точностью может рассматриваться как идеальный газ, характеризуемый температурой, плотностью и химическим составом. Именно давление нагретого идеального газа противостоит сдавливающему воздействию гравитации в обычных звездах. Действие электростатических кулоновских сил, однако, становится определяющим в холодных космических телах — планетах, кометах, твердых частицах пыли. Нет ни одного свойства электромагнитных волн, которое не проявилось бы в космических условиях. Например, по эффекту расщепления спектральных атомных линий в магнитном поле (эффект Зеемана) определяют величину большого магнитного поля на звездах. Слабое магнитное поле в межзвездной среде (с напряженностью в миллион раз меньше поля Земли) может быть измерено по наблюдениям поворота плоскости поляризации электромагнитных волн от источников, «просвечивающих» межзвездную среду (эффект Фарадея). Мощные токи, текущие в нейтронных звездах, поддерживают их колоссальное магнитное поле с напряженностью, в тысячи миллиардов раз превосходящих поле Земли, практически без затухания в течение миллионов лет. Вращение замагниченной нейтронной звезды приводит к возникновению огромных электрических полей вблизи ее поверхности, которые вырывают частицы с твердой поверхности нейтронной звезды и ускоряет их до релятивистских скоростей. Синхротронное излучение таких частиц в магнитном поле рождает жесткие гамма-кванты и приводит в конечном счете к возникновению наблюдаемого радиоизлучения пульсара. К непонятым до сих пор электромагнитным космическим явлениям относятся космические гамма-всплески. Установлено, что в них за короткое время 10-100 с выделяется жесткое электромагнитное излучение с энергией, сравнимой с энергией покоя массы Солнца эрг! Не исключено, что механизм генерации этой энергии тесно связан с наличием сверхсильных магнитных полей в космической плазме вблизи релятивистских звезд — нейтронных звезд или черных дыр.

Слабое взаимодействие

Слабое взаимодействие также играет исключительно важную роль при эволюции звезд. Именно медленность основной реакции протон-протонного цикла в центре Солнца , идущей по каналу слабого взаимодействия, объясняет «долголетие» звезд типа Солнца (10 млрд. лет) главной последовательности. Нейтрино очень слабо взаимодействуют с веществом, примерно в раз меньше, чем фотоны. Поэтому звезды «прозрачны» для нейтрино. Нейтрино является прямым свидетелем ядерных реакций в центре Солнца. За одну секунду Солнце покидает нейтрино, уносящих несколько процентов генерируемой в термоядерных реакциях энергии. В настоящее время в ряде экспериментов поток нейтрино от Солнца уверенно зарегистрирован. Он оказывается примерно вдвое меньше, чем ожидается. Это различие может быть связано с фундаментальными свойствами нейтрино как элементарной частицы. По мере эволюции звезды роль нейтрино усиливается и у массивных звезд на финальных стадиях становится определяющей. Нейтрино становится основным источником светимости массивной звезды на стадии сверхновой, когда силам гравитации, сжимающим ядро звезды, не в силах противостоять ни давление горячей звездной плазмы, ни даже квантовомеханическое давление электронов (см. ниже). Происходит процесс нейтронизации вещества, когда протоны соединяются с электронами с образованием нейтронов и нейтрино. В процессе катастрофического сжатия центра звезды формируется компактная нейтронная звезда с массой около массы Солнца и радиусом в 10 км, а нейтрино уносят практически всю освобождаемую энергию, составляющую около 15 процентов от массы покоя нейтронной звезды (примерно эрг). По современным представлениям, малая часть этой гигантской энергии может передаваться от нейтрино окружающей вновь сформировавшуюся нейтронную звезду массивной облолочке звезды, состоящей из обычного вещества. Оболочка в несколько масс Солнца сбрасывается, и наблюдается колоссальное астрономическое явление — вспышка сверхновой звезды. Правильность наших представлений о процессах слабого взаимодействия при коллапсе ядра звезды подтвердилась регистрацией потока нейтрино от вспышки сверхновой 1987а в Большом Магеллановом Облаке.

Сильные взаимодействия

Cильные (ядерные) взаимодействия отвечают за многие важные ядерные реакции в недрах звезд и синтез тяжелых элементов. По современной теории «горячей Вселенной», образование основных химических элементы — водорода и гелия — завершилось еще на дозвездной стадии эволюции Вселенной в эпоху, когда температура плазмы была около 1 млрд. градусов а «возраст» Вселенной был «всего лишь» 200 с. Более тяжелые элементы образовались в ходе термоядерных реакций синтеза в недрах звезд. Однако в этих реакциях могут образовываться химические элементы только до элементов группы железа (кобальт, никель, железо). Дальнейшее присоединение нуклонов к ядрам требует затрат энергии. Рождение более тяжелых элементов происходит путем захвата ядрами нейтронов (протон захватить невозможно из-за огромных сил кулоновского отталкивания). Захваченные нейтроны в ядре превращаются в протоны с испусканием электрона и антинейтрино по каналу слабого взаимодействия, и атомный номер элемента таким образом увеличивается на 1. Эти процессы эффективно происходят во время вспышек сверхновых звезд. Расчеты показывают, что последовательным захватом нейтронов можно «сконструировать» все стабильные элементы вплоть до трансурановых. Ядерные силы определяют специфическое состояние сверхплотной материи нейтронных звезд. Действительно, при массе в массу Солнца и радиусе 10 км средняя плотность нейтронной звезды порядка плотности атомного ядра . В некотором смысле нейтронная звезда представляет собой гигантское нейтральное атомное ядро. Принципиальное отличие, однако, заключается в том, что обычное ядро от развала на составные части удерживают ядерные силы, а нейтронная звезда существует из-за колоссальной гравитации собранного в ней вещества. Точного микроскопического описания вещества при таких плотностях в настоящее время нет из-за невероятной сложности этой задачи. Однако из астрофизических наблюдений пульсаров и рентгеновских источников удается восстановить многие макроскопические свойства нейтронных звезд — их массы, радиусы, моменты инерции. В конечном счете это налагает важные ограничения на возможное физическоне состояния недр нейтронных звезд.

Квантовая механика

В начале 1930-х годов стало ясно (Чандрасекар, Фаулер, Ландау), что само существование компактных горячих звезд — белых карликов — открытых в начале 20 в. обусловлено проявлением специфических квантовомеханических свойств вещества. Действительно, любая звезда находится в состоянии гидростатического равновесия, при котором действию силы тяжести противостоит разность давления соседнрих слоев вещества. Так, в Солнце давление создается хаотическим движением частиц солнечной плазмы — протонов и электронов, которые могут рассмативаться как идеальный газ. Средняя плотность плазмы Солнца примерно равна плотности воды, и даже в центре его составляет «всего лишь» 120 грамм в кубическом сантиметре. Не то белые карлики — из их положения на диаграмме Герцшпрунга-Рессела следовало, что эти звезды с массой около солнечной имеют радиусы в сотню раз меньше солнечного! Это означало, что средняя плотность вещества белых карликов в миллион раз (!) выше солнечной. Что же происходит с веществом при таких чудовищных плотностях? Для ответа на этот вопрос оценим, каково среднее расстояние между частицами вещества при такой плотности. Очевидно, оно составляет , где — концентрация частиц вещества (в этой оценке мы предположили, что вещество состоит из чисто водородной плазмы, поэтому поделили плотность на массу покоя протона mp, так как массой покоя электронов можно пренебречь). Для характерной плотности в г/см3 получаем см, что много больше «классического» радиуса электрона см. Однако в соответствии с основными положениями квантовой механики, две частицы c импульсом p начинают «чувствовать» друг друга, когда расстояние между ними становится порядка длины волны Де Бройля ( — постоянная Планка). Так как для любой частицы .

Публикации с ключевыми словами: вырожденный газ — звезды — электромагнитное излучение — нуклеосинтез — гравитационные волны — сильное взаимодействие — слабое взаимодействие — электромагнитное взаимодействие — гравитация
Публикации со словами: вырожденный газ — звезды — электромагнитное излучение — нуклеосинтез — гравитационные волны — сильное взаимодействие — слабое взаимодействие — электромагнитное взаимодействие — гравитация

См. также: Все публикации на ту же тему >>

Физика в космосе

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Физика в космосе

Подготовил

ученик 8″Б» класса

Семенихин Константин

Преподаватель: Неретина И.В.

Введение

1. Историческая справка

2. Физика в космосе

2.1 Вращение Земли. Маятник Фуко

2.2 Инерция в космосе

2.3 Притяжение Луны Землёй

2.4 Температура в космосе

2.5 Реактивное движение. Импульс

Заключение

Литература

Введение

Много тысяч лет назад, глядя на ночное небо, человек мечтал о полете к звездам. Шли века, человек приобретал все большую власть над природой, но мечта о полете к звездам оставалась все такой же несбыточной, как тысячи лет назад.

Средства для таких полетов, предлагавшиеся народной фантазией, были примитивны: колесница, влекомая орлами, крылья, прикрепленные к рукам человека. Предлагались разные средства для осуществления космического полета.

Писатели фантасты упоминали и ракеты. Однако эти ракеты были технически необоснованной мечтой. Ученые за многие века не назвали единственного находящегося в распоряжении человека средства, с помощью которого можно преодолеть могучую силу земного притяжения и унестись в межпланетное пространство.

1. Историческая справка

День 12 апреля 1961 г стал днём освоения космоса. В 9:07 по московскому времени со стартовой площадки №1 космодрома Байконур был запущен космический корабль «Восток-1» с первым в мире космонавтом на борту — Юрием Гагариным. Совершив один виток вокруг Земли и проделав путь в 41 тыс. км приземлился спустя 90 минут после старта, Первый полёт человека в космос управлялся с Земли, сам Гагарин являлся скорее пассажиром, хотя и великолепно подготовленным.

Нужно отметить, что условия полёта были далеки от тех, что предлагаются ныне космическим туристам: Гагарин испытывал восьми-десятикратные перегрузки, был период, когда корабль буквально кувыркался, а за иллюминаторами горела обшивка и плавился металл. В течение полёта произошло несколько сбоев в различных системах корабля, но к счастью, космонавт не пострадал.

2. Физика в космосе

2.1 Вращение Земли. Маятник Фуко

Более 500 лет назад польский астроном Николай Коперник впервые показал, что Земля вращается. Однако наглядно доказать это трудно. Хотя окружная скорость земной поверхности и достигает на экваторе огромной цифры — 465 метров в секунду, но мы не замечаем ее, так как сами вращаемся вместе с Землей. Важнейшее проявление вращения Земли — смена дня и ночи не являлось прямым подтверждением этого явления.

До Коперника предполагали, что Земля неподвижна, а вращаются миры, окружающие ее. Другие проявления вращения Земли, как, например, отклонение течения рек и искривление направления постоянных ветров, дующих в тропическом поясе, становятся заметными лишь при длительных наблюдениях и, очевидно, не могут наглядно подтвердить вращение Земли. Доказательство этого факта было дано спустя три столетия после открытия Коперника, когда Фуко в 1851 году подвесил свой маятник под куполом парижского Пантеона.

В 1931 году в Ленинграде, в здании бывшего Исаакиевского собора, также был установлен маятник Фуко. Этот маятник представляет собой тяжелый (54 кг) шар с длинным острием. Он подвешен на тонкой проволоке, которая укреплена под куполом собора на высоте 98 метров в стакане с шарикоподшипником, что не позволяет проволоке закручиваться. На полу, под маятником, расположены сектора, размеченные на градусы. Опыт Фуко основан на свойстве маятника сохранять все время одну и ту же плоскость качания, как бы ни поворачивалась опора его подвеса.

Перед началом опыта острие шара устанавливают над чертой сектора, обозначенной как О градусов, и, отведя шар в сторону, привязывают тонкой ниткой, которую затем пережигают. После этого маятник начинает качаться в неизменной плоскости с периодом колебаний в 20 секунд. Примерно через 5 минут сектор под маятником поворачивается на 1 градус против часовой стрелки, что и определяет направление и угловую скорость вращения Земли. Из приведенного описания легко установить основной недостаток опыта Фуко: демонстрировать его можно только в очень высоких помещениях, так как с уменьшением размеров маятника отклонение плоскости качания от начального положения за ограниченный промежуток времени становится все менее заметным.

Со дня первого опыта Фуко ученым не удалось предложить новых наглядных пособий и методов доказательства вращения Земли, хотя делались многочисленные попытки создать для этого специальные приборы. Упомянем хотя бы о многократно повторявшемся опыте падения тел с высоты, при котором тело отклоняется к востоку, то есть по направлению вращения Земли. Однако величина этого отклонения невелика. Например, при высоте 85 метров в средних широтах она составляет всего около 10 миллиметров. Таким образом, этот опыт для наглядной демонстрации непригоден. Изучение вращения Земли продолжает оставаться актуальным и для наших дней. Это необходимо для атеистической пропаганды, для астрономических наук, а в школах и институтах — для физических опытов. В течение ряда лет мы работали над созданием наглядных приборов, которые могли бы показать суточное вращение Земли. Приборы, сконструированные нами, отличаются от маятника Фуко в основном тем, что не отстают от вращающейся Земли, а обгоняют ее. Опишем кратко устройство некоторых из них.

Основным таким прибором является вращающийся маятник. Его главная часть — прямоугольная рамка, опирающаяся на два острия. Внутри рамки на горизонтальной оси может вращаться стержень с двумя равными грузами. В движение он приводится двумя пружинами. Для регистрации поворота прибора к рамке прикреплена стрелка. Чтобы привести прибор в действие, стержень вращают рукой до полного растяжения пружин. Затем он устанавливается горизонтально и привязывается к рамке тонкой ниткой. Через несколько секунд стрелка перестает дрожать, следовательно, прибор относительно вращающейся Земли не перемещается. Его пуск осуществляется простым пережиганием нитки. Под действием пружин стержень начинает вращаться, и через 15-20 секунд, как только он разовьет достаточное для преодоления трения в центрах рамки число оборотов, прибор обгоняет вращающуюся Землю. Наблюдатели регистрируют это движение по отклонению стрелки от начального положения. Таким образом, обнаруживается вращение Земли и направление этого движения против часовой стрелки. Весь процесс, включая завод маятника, занимает не более 4-5 минут.

Действие прибора основано на известном в физике законе сохранения момента количества движения в случае вращения тел. Согласно этому закону, произведение веса каждой частицы тела на расстояние от оси вращения и на скорость должно оставаться постоянным. В нашем приборе расстояние грузов на стержне от вертикальной оси имеет наибольшее значение при горизонтальном положении стержня, то есть в момент пережигания нити, и наименьшее значение в то время, когда он проходит через вертикаль. До пережигания нити стержень, участвуя во вращении Земли, имеет угловую скорость относительно вертикальной оси, равную скорости вращения Земли. После того как нить пережигается, расстояние грузов от вертикальной оси меняется, но остается всегда меньше, чем при пуске прибора. Поэтому такое уменьшение расстояния сопровождается увеличением угловой скорости грузов и всего прибора относительно Земли. В результате прибор обгоняет Землю и поворачивается вокруг вертикальной оси на некоторый угол, указываемый стрелкой. При высоте в 2400 миллиметров и весе 9 килограммов (в том числе вес грузов 3 килограмма) скорость вращения рамки прибора превышает скорость вращения Земли примерно в 15 раз. Это значит, что при непрерывном вращении стержня с грузами, например, от электродвигателя, рамка прибора на широте Ленинграда сделает в сутки полных 13 оборотов. При увеличении высоты до 3000 миллиметров с соответственным увеличением веса грузов скорость вращения прибора превысит скорость вращения Земли примерно в 25 раз, что еще более увеличит наглядность опыта. Вращающийся маятник выгодно отличается от маятника Фуко своими незначительными размерами, позволяющими устанавливать его в небольшом помещении, краткостью времени, в течение которого влияние суточного вращения Земли на прибор становится заметным наблюдателям, и, наконец, его невысокой стоимостью. Однако вращающийся маятник неудобен тем, что его необходимо заводить перед пуском.

Это может быть устранено заменой пружинного привода электродвигателем. Разработанный нами другой прибор — качающийся маятник — основан на принципе действия вращающегося маятника, но отличается от него отсутствием пружин. Кроме того одинаковые грузы в нем заменены грузами разного веса. Перед демонстрацией стержень с грузами также привязывают нитью к рамке, затем нить пережигают, и прибор действует аналогично вращающемуся маятнику. Его отличие от маятника Фуко заключается в том, что он имеет негибкий стержень, который может качаться лишь в плоскости рамы, поэтому вращение Земли вызывает вращение всей рамы в центрах, вокруг вертикальной оси. Вращающийся и качающийся маятники нашей конструкции установлены и демонстрируются в Московском планетарии. Следует отметить, что эти приборы позволяют непосредственно измерить силы, возникающие при движении всех тел на вращающейся Земле.

Для того чтобы выполнить такое измерение, на вертикальную ось рамки прибора в направлении против часовой стрелки наматывается нить, которая затем перекидывается через блок. К концу нити привязывается гиря весом в 5-10 граммов. Таким образом на оси маятника создается дополнительный момент сил, увеличивающий эффект вращения Земли на прибор. Стрелка при работе прибора отклоняется на угол, значительно больший, чем при пуске без гири. Затем та же нить наматывается на ось в направлении по часовой стрелке, и создается момент сил, уменьшающий эффект вращения Земли на прибор. Стрелка при этом отклоняется на угол, значительно меньший, чем при пуске с гирей в первом опыте. По разности углов отклонения стрелки и весу гири можно легко определить величину сил, возникающих от вращения Земли.

2.2 Инерция в космосе

Инерция — неотъемлемое свойство движущейся материи. Галилео Галилей первый объяснил явление инерции. Исаак Ньютон сформулировал «закон инерции»: всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока действия со стороны других тел не изменят этого состояния.

Если бы не было инерции.

Представим на минуту, что произошло бы в мире, если бы мгновенно исчезло свойство тел, которое мы называем инерцией. Луна упала бы на Землю. Планеты упали бы на Солнце, движение тела могло бы осуществляться только под действием силы и прекращалось бы с исчезновением последней. Таким образом, инерция — выражение единства материи и движения. Земля является лишь одним из миллиардов небесных тел в бесконечной Вселенной. Нашим ближайшим соседом в космосе и одновременно единственным естественным спутником является Луна (d=3475 км, от Земли Луна удалена в среднем примерно на 385 000 км). Двигаясь по инерции, Луна должна удаляться от Земли. Почему же этого не происходит?

2.3 Притяжение Луны Землёй

В 1687 г. Исаак Ньютон впервые нашел обоснованное объяснение тому, почему планеты вращаются вокруг Солнца, а Луна — вокруг Земли. Согласно хорошо известной всем легенде, Ньютон однажды сидел в саду и увидел падающее с дерева яблоко. Он спросил себя, почему яблоко упало на землю, а Луна на неё не падает? Учёный увлёкся этой простой лишь на первый взгляд проблемой, тесно связанной с Галилеевым законом свободного падения, и пришел к понятию силы тяготения. Упавшее на Землю яблоко навело его на мысль, что одна и та же сила притягивает яблоко к земле и удерживает Луну на её орбите вокруг Земли. Мы называем эту силу гравитацией, силой тяжести или силой земного притяжения. Если эта красивая история про яблоко — правда, то именно это яблоко было самым важным в истории науки.

Луна притягивается к Земле на 0,0013 м/сек. Но Луна также движется по инерции, на 1,3 мм/сек отдаляясь от земли. В результате движения складываются и Луна движется по траектории, близкой к окружности.

2.4 Температура в космосе

— Температура — одно из фундаментальных понятий в физике, она играет огромную роль в том, что касается земной жизни любых форм. При очень высоких или очень низких температурах различные вещи могут вести себя очень странно. Предлагаем вам узнать о ряде интересных фактов, связанных с температурами.

— Какая температура самая высокая?

— Самая высокая температура, которую создал человек, составила 4 миллиарда градусов Цельсия. Трудно поверить, что температура вещества может достичь такого невероятного уровня! Эта температура в 250 раз выше температуры ядра Солнца.

— Невероятный рекорд был поставлен в Естественной Лаборатории Брукхэвена в Нью-Йорке в ионном коллайдере, длина которого — около 4 километров. Ученые заставили столкнуться ионы золота, пытаясь воспроизвести условия Большого взрыва, создав кварк-глюонную плазму. В таком состоянии частицы, которые составляют ядра атомов — протоны и нейтроны, взрываются.

Самая низкая температура, которую удалось достичь в искусственных условиях — 100 пико Кельвинов или 0.0000000001 K. Чтобы добиться такой температуры, необходимо воспользоваться магнитным охлаждением. Также подобных низких температур можно добиться, используя лазеры.

При таких температурах материал ведет себя вовсе не так, как при обычных условиях.

Экстремальная температура в Солнечной Системе.

Температура среды в Солнечной системе отличается от той, к которой мы привыкли на Земле. Наша звезда Солнце невероятно горячая. В ее центре температура составляет около 15 миллионов Кельвинов, а поверхность Солнца имеет температуру всего около 5700 Кельвинов.

Температура в ядре нашей планеты составляет примерно столько же, сколько температура поверхности Солнца. Самая горячая планета Солнечной системы — Юпитер, температура ядра которого в 5 раз выше, чем температура поверхности Солнца.

Самая холодная температура в нашей системе зафиксирована на Луне: в некоторых кратерах в тени температура составляет всего 30 Кельвинов выше абсолютного нуля. Эта температура ниже, чем температура Плутона!

Самое холодное место в космосе.

Выше было сказано, что межзвездное пространство прогревается реликтовым излучением, а потому температура в космосе по Цельсию не опускается ниже минус 270 градусов. Но оказывается, могут существовать и более холодные участки. В 1998 году телескоп Хаббл обнаружил газо-пылевое облако, которое стремительно расширяется. Туманность, названная Бумерангом, образовалась вследствие явления, известного как звездный ветер. По оценкам ученых, температура в туманности Бумеранг составляет всего один градус по шкале Кельвина, или -272 °C. Это самая низкая температура в космосе, которую на данный момент удалось зафиксировать астрономам. Туманность Бумеранг находится на расстоянии 5 тысяч световых лет от Земли. Наблюдать ее можно в созвездии Центавра.

2.5 Реактивное движение. Импульс

Под реактивным движением понимают движение тела, возникающее при отделении от тела его части с некоторой относительно тела скоростью.

При этом появляется так называемая реактивная сила, толкающая тело в сторону, противоположную направлению движения отделяющейся от него части тела.

Реактивное движение совершает ракета (рис. 1). Основной частью реактивного двигателя является камера сгорания. В одной из ее стенок имеется отверстие — реактивное сопло, предназначенное для выхода газа, образующегося при сгорании топлива. Высокая температура и давление газа определяют большую скорость истечения его из сопла.

космос физика луна инерция

Рис. 1

До работы двигателя импульс ракеты и горючего был равен нулю, следовательно, и после включения двигателей геометрическая сумма импульсов ракеты и истекающих газов равна нулю:

где — масса и скорость выбрасываемых газов, — масса и скорость ракеты.

В проекции на ось Oy

скорость ракеты.

Эта формула справедлива при условии небольшого изменения массы ракеты.

Главная особенность реактивного движения состоит в том, что ракета может как ускоряться, так и тормозиться и поворачиваться без какого-либо взаимодействия с другими телами в отличие от всех других транспортных средств.

Если два человека будут находиться рядом, а потом один из них толкнет другого, то он не только придаст тому ускорение, но и сам отлетит назад. И чем сильнее он толкнет кого-либо, тем с большей скоростью отлетит сам.

Наверняка, вам приходилось бывать в подобной ситуации, и вы можете представить себе, как это происходит. Так вот, именно на этом и основано реактивное движение.

Ракеты, в которых реализован этот принцип, выбрасывают некоторую часть своей массы на большой скорости, вследствие чего сами приобретают некоторое ускорение в противоположном направлении.

Потоки раскаленных газов, возникающие в результате сгорания топлива, выбрасываются через узкие сопла для придания им максимально большой скорости. При этом, на величину массы этих газов уменьшается масса ракеты, и она приобретает некую скорость. Таким образом реализован принцип реактивного движения в физике.

Заключение

На протяжении тысячелетий астрономы получали только ту информацию о небесных явлениях, которую им приносил свет. Можно сказать, что они изучали эти явления через узенькую щель в обширном спектре электромагнитных излучений. Три десятилетия тому назад благодаря развитию радиофизики возникла радиоастрономия, необычайно расширившая наши представления о Вселенной. Она помогла узнать о существовании многих космических объектов, о которых ранее не было известно. Дополнительным источником астрономических знаний стал участок электромагнитной шкалы, лежащий в диапазоне дециметровых и сантиметровых радиоволн.

Огромный поток научной информации приносят из космоса другие виды электромагнитного излучения, которые не достигают поверхности Земли, поглощаясь в ее атмосфере. С выходом человека в космическое пространство родились новые разделы астрономии: ультрафиолетовая и инфракрасная астрономия, рентгеновская и гамма-астрономия. Необычайно расширилась возможность исследования первичных космических частиц, падающих на границу земной атмосферы: астрономы могут исследовать все виды частиц и излучений, приходящих из космического пространства. Объем научной информации, полученной астрономами за последние десятилетия, намного превысил объем информации, добытой за всю прошлую историю астрономии. Используемые при этом методы исследования и регистрирующая аппаратура заимствуются из арсенала современной физики; древняя астрономия превращается в молодую, бурно развивающуюся астрофизику.

Сейчас создаются основы нейтринной астрономии, которая будет доставлять ученым сведения о процессах, происходящих в недрах космических тел, например в глубинах нашего Солнца. Создание нейтринной астрономии стало возможным только благодаря успехам физики атомных ядер и элементарных частиц.

Самое, пожалуй, удивительное в современной физике-это неожиданная связь между космосом, где галактики и звездные скопления разбросаны подобно редким пылинкам, и тесным, исчезающе малым микромиром элементарных частиц. Два полюса мироздания! На одном огромная, расширяющаяся Вселенная, на другом-не видимые ни под каким микроскопом, почти эфемерные «кирпичики» вещества. И вот оказывается, что при определенных условиях Вселенная может обладать свойствами микрочастицы, а некоторые микрообъекты, возможно, содержат внутри себя целые космические миры. Во всяком случае, так говорит теория. Большое и малое, сложное и простое-здесь все переплелось. Как хитро устроена природа! Она как масштабная линейка, завязанная в узел. Поди разберись, где тут начало! Из чего состоят протон и нейтрон? Есть ли что-нибудь еще глубже, меньше? И вообще, может ли быть предел делимости материи? Что творилось в нашей Вселенной, когда она была еще совсем юной и ее размеры были в миллиарды миллиардов раз меньше атома? Что такое античастицы и существуют ли миры из антивещества? Масса вопросов, и каждый из них тянет за собой вереницу новых, про которые и самим ученым еще далеко не все ясно. Вселенная оказывается бесконечно многообразной, неисчерпаемой для исследователя…

«Здесь скрыты столь глубокие тайны и столь возвышенные мысли, что, несмотря на старания сотен остроумнейших мыслителей, трудившихся в течение тысяч лет, еще не удалось проникнуть в них, и радость творческих исканий и открытий все еще продолжает существовать». Эти слова, сказанные Галилеем три с половиной столетия назад, нисколько не устарели.

Литература

1. «Беседы по физике» М.И. Блудов

2. Изд. «Просвещение» 1984 г. «Космос у тебя дома» Ф. Рабиза

3. Изд. «Детская литература» 1984 г. Серия «100 человек, которые изменили ход истории»

Размещено на Allbest.ru

Разделы физики

Определение 1

Физика – это область естествознания, это наука о простейших и наиболее общих природных законах, о материи, ее движении и структуре. В основе всего естествознания лежат законы физики.

Впервые термин «физика» фигурирует в учениях Аристотеля, еще в $IV$ столетии до нашей эры. Изначально термин «философия» и термин «физика» были синонимами, поскольку в основе этих дисциплин было стремление объяснить законы Вселенной. Однако научная революция $XVI$ столетия привела к трансформации физики в отдельную дисциплину.

Предмет и значение физики в современном мире

Физика – это наука о естествознании, в общем смысле слова является частью природоведения. Предметом ее изучения является материя, в виде полей и вещества, а также общие формы ее движения. Также к предмету изучения физики можно отнести фундаментальные природные взаимодействия, которые управляют движением материи.

Общими для всех материальных систем являются некоторые закономерности, которые называются физическими законами. Часто физику называют фундаментальной наукой, поскольку иные естественные науки (биология, химия, геология) описывают только конкретные классы материальных систем, которые подчиняются физическим законам.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Предмет изучения химии – атомы, вещества, что состоят из них, а также превращение одних веществ в другие. Химические свойства любого вещества определяются физическими свойствами молекул и атомов, которые описываются в таких разделах физики, как электромагнетизм, термодинамика и квантовая физика.

Физика тесно связывается с математикой, поскольку она представляет механизм, при помощи которого физические законы могут формулироваться максимально точно. Все физические законы практически всегда формулируются в виде уравнений. Причем в данном случае используются наиболее сложные разделы математики, нежели в других науках. И наоборот, потребностями физической науки стимулировалось развитие большинства областей математики.

Значение физики в современном мире очень велико. Все, чем отличается нынешнее общество от общества прошлых столетий, возникло в результате применения физических открытий.

Исследования в сфере электромагнетизма привели к возникновению стационарных и мобильных телефонов. Благодаря открытиям термодинамики получилось создать автомобиль, а развитие электроники спровоцировало возникновение компьютерной техники. Фотоника дает возможность создать принципиально новые компьютеры и фотонную технику, которые стремительно замещают современную электронную технику и приспособления. А развитие газодинамики дало рождение самолетам и вертолетам.

Знание физических процессов, которые постоянно происходят в природе, углубляются и расширяются. Большая часть новых и современных открытий получает технико-экономическое применение, зачастую в промышленности.

Перед современными исследователями регулярно возникают новые задачи и загадки – всплывают явления, для объяснения которых необходимо разрабатывать новые физические теории. Несмотря на большой опыт приобретенных знаний, современная физика еще далека от того, чтобы объяснить все природные явления.

Общие научные основы методов физики разрабатываются в методологии науки и в теории познания.

Экспериментальная и теоретическая физика

В своей основе физика является экспериментальной наукой: все ее теории и законы опираются и основаны на опытных данных. Но, несмотря на это, именно новые теории – основная причина проведения новых экспериментов, в результате осуществления которых лежат новые открытия. Поэтому принято различать теоретическую и экспериментальную физику.

В основе экспериментальной физики лежит исследование явлений природы в тех условиях, которые были подготовлены заранее. В задачи данного вида физики входит обнаружение явлений, которые не были известны ранее, а также опровержение или подтверждение физических теорий. В физике большинство достижений были сделаны благодаря экспериментальному обнаружению физических явлений, которые не описываются существующими теориями.

Экспериментальное изучение фотографического эффекта стало одной из предпосылок создания квантовой механики.

Замечание 1

Хотя научным рождением квантовой механики считается появление гипотезы Планка, который выдвинул ее для разрешения ультрафиолетовой катастрофы, что была парадоксом классической теоретической физикой излучения.

Задачами теоретической физики являются формулировка общих природных законов, объяснение их на основе различных природных явлений, а также прогнозирование неизведанных до сих пор процессов. Достоверность физической теории можно проверить экспериментально: если его результаты совпадают с прогнозами теории, то она считается адекватной и точно описывающей конкретное явление. При изучении каждого явления или процесса одинаково важны и теоретическая, и экспериментальная физика.

Прикладная физика

Физика с самого своего рождения имела огромное прикладное значение, она развивалась вместе с механизмами, машинами, которые человечество использовало для своих нужд. Физика часто применяется в инженерных науках, большинство физиков были изобретателями. Механика, как раздел физики, была тесно связана с сопротивлением материалов и с теоретической механикой, как с главными инженерными науками.

Термодинамика связана с конструированием тепловых двигателей и теплотехникой. Электричество напрямую связано с электроникой и электротехникой, для развития и становления которой были важны исследования в сфере физики твердого тела. Благодаря достижениям ядерной физики возникла ядерная энергия. Данный список можно продолжать долго.

Также физика имеет широкие междисциплинарные связи. На границе химии, физики и инженерных наук возникает и быстро развивается такая отрасль, как материаловедение. Химией используются инструменты и методы, что приводит к становлению двух исследовательских направлений: химической физики и физической химии.

Широких оборотов набирает биофизика, которая является областью исследований на границе между физикой и биологией, в которой все биологические процессы рассматриваются из атомарной структуры органических веществ. Геофизика изучает геологические явления и их физическую природу. Медицина применяет такие методы, как ультразвуковое исследование и рентгеновское облучение. Ядерный магнитный резонанс используется для диагностики, лазеры – для лечения глазных заболеваний, а ядерное облучение – в онкологии.

Основные разделы физики

Макроскопическая физика подразделяется на:

  1. Механика: классическая механика, релятивистская механика, а также механика сплошных сред (акустика, гидродинамика, механика твердого тела).
  2. Термодинамика, которая включает в себя неравновесную термодинамику.
  3. Оптика: физическая оптика, кристаллооптика, молекулярная и нелинейная оптика.
  4. Электродинамика: сюда входит магнитогидродинамика, электрогидродинамика, а также электродинамика для сплошных сред.

Микроскопическая физика состоит из следующих разделов:

  1. Атомная физика.
  2. Статистическая физика: сюда входит статистическая механика, физическая кинетика, а также статистическая теория поля.
  3. Физика конденсированных сред: физика жидкостей и твердого тела, физика наноструктур а также физика молекул и атомов.
  4. Квантовая физика. В данный раздел входят такие подразделения: квантовая теория поля, квантовая механика, квантовая хромодинамика, квантовая электродинамика, а также теория струн.
  5. Ядерная физика.
  6. Физика высоких энергий.
  7. Физика элементарных частиц.

Существуют также разделы физики, которые находятся на стыке наук:

  1. Агрофизика.
  2. Акустооптика.
  3. Астрофизика.
  4. Биофизика.
  5. Гидрофизика.
  6. Вычислительная физика.
  7. Геофизика: сейсмология, петрофизика, геофизическая гидродинамика.
  8. Математическая физика.
  9. Космология.
  10. Материаловедение.
  11. Метрология.
  12. Медицинская физика.
  13. Радиофизика: статистическая и квантовая радиофизика.
  14. Теория колебаний.
  15. Техническая физика.
  16. Химическая физика.
  17. Физика плазмы и атмосферы.
  18. Физическая химия.

Рисунок 1. Разделы физики. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Энциклопедия измерений

Статьи 1 — 10 из 22 1 2 3 | » | Конец

Согласно этому закону процесс, единственным результом которого является передача энергии в форме теплоты от более холодного тела к более нагретому, невозможен без изменений в самой системе и окружающей среде.

Второй закон термодинамики выражает стремление системы, состоящей из большого количества хаотически движущихся частиц, к самопроизвольному переходу из состояний менее вероятных в состояния более вероятные. Запрещает создание вечного двигателя второго рода.
В равных объемах идеальных газов при одинаковой температуре и давлении содержится одинаковое число молекул.
Закон открыт в 1811 г. итальянским физиком А. Авогадро (1776–1856).
Закон взаимодействия двух токов, текущих в проводниках, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга гласит: параллельные проводники с токами одного направления притягиваются, а с токами противоположного направления отталкиваются.
Закон открыт в 1820 г. А. М. Ампером.
Закон гидро и аэростатики: на тело, погруженное в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, направленная вертикально вверх, равная весу жидкости или газа, вытесненного телом, и приложенная в центре тяжести погруженной части тела. FA = gV, где g — плотность жидкости или газа, V — объем погруженной части тела.
Иначе закон можно сформулировать следующим образом: тело, погруженное в жидкость или газ, теряет в своем весе столько, сколько весит вытесненная им жидкость (или газ). Тогда P = mg — FA.
Закон открыт древнегреческим ученым Архимедом в 212 г. до н. э. Он является основой теории плавания тел.
Один из законов идеального газа: при постоянной температуре произведение давления газа на его объем есть величина постоянная. Формула: pV = const. Описывает изотермический процесс. Закон всемирного тяготения, или закон тяготения Ньютона: все тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению масс этих тел и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Согласно этому закону упругие деформации твердого тела прямо пропорциональны вызывающим их внешним воздействиям. Описывает тепловое действие электрического тока: количество теплоты, выделяющееся в проводнике при прохождении по нему постоянного тока, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения. Открыт Джоулем и Ленцем независимо друг от друга в XIX в. Основной закон электростатики, выражающий зависимость силы взаимодействия двух неподвижных точечных зарядов от расстояния между ними: два неподвижных точечных заряда взаимодействуют с силой, прямо пропорциональной произведению величин этих зарядов и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними и диэлектрической проницаемости среды, в которой находятся заряды. Величина численно равна силе, действующей между двумя расположенными в вакууме на расстоянии 1 м друг от друга точечными неподвижными зарядами по 1 Кл каждый.
Закон Кулона является одним из экспериментальных обоснований электродинамики. Открыт в 1785 г.
Один из основных законов электрического тока: сила постоянного электрического тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна его сопротивлению. Справедлив для металлических проводников и электролитов, температура которых поддерживается постоянной. В случае полной цепи формулируется следующим образом: сила постоянного электрического тока в цепи прямо пропорциональна эдс источника тока и обратно пропорциональна полному сопротивлению электрической цепи.
Открыт в 1826 г. Г. С. Омом.

В 1687 году знаменитый английский учёный сэр Исаак Ньютон опубликовал книгу «Математические начала натуральной философии». В этой книге описываются три закона движения, лёгшие в основу классической механики.

Но большинство людей даже не догадываются о том, что законы Ньютона можно применить для увеличения производительности, упрощения работы и достижения успеха. Как? Сейчас расскажем!

Первый закон Ньютона.

Всякое тело продолжает удерживаться в состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние.

Инертность — фундаментальный закон вселенной.

Иными словами, тело в движении стремится оставаться в движении — и наоборот, если тело не движется, оно стремится оставаться недвижимым.

Этот закон полностью применим к нашей производительности. Если тела в состоянии покоя стремятся покоиться и дальше, то, не встав с дивана, мы ничего не добьёмся!

Выходит, главное — это начать что-то делать? Да! Самое главное — это взять и начать. А как только вы начнёте, вам будет гораздо проще оставаться в движении.

Чтобы преодолеть инертность, найдите способ приступить к выполнению задачи в течение менее двух минут.

Обратите внимание, что речь не идет о завершении работы. Фактически, не нужно даже непосредственно работать. Но благодаря первому закону Ньютона, вы часто будете замечать, что, начав эту небольшую часть задания в течение двух минут, продолжать работать будет гораздо легче.

Мотивация часто приходит после начала работы. Найдите способ начать с малого. Разогнавшись, вы сами удивитесь, как легко у вас всё получается!

Второй закон Ньютона.

Изменение количества движения пропорционально приложенной движущей силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует.

Иными словами, сила равняется массе, умноженной на ускорение. Давайте посмотрим, как это уравнение можно применить к продуктивности.

Важно понимать: сила — это вектор. А вектор слагается из величины (приложенных усилий) и направления этих самых усилий.

То есть, если вы хотите ускорить объект в определённом направлении, то на ситуацию влияют и количество усилий, и их направление.

Всё это можно применить и в жизни!

Если вы хотите быть более продуктивным, вам стоит задуматься не только над тем, насколько усердно вы трудитесь, но и над тем, куда вы направляете свои усилия. Это одинаково касается и важных жизненных решений, и мелких повседневных задач.

Проще говоря, у вас есть строго определённое количество силы для выполнения работы. И направление этой силы столь же важно, сколь и количество.

Третий закон Ньютона.

Действию всегда есть равное и противоположное противодействие, иначе — взаимодействия двух тел друг на друга равны и направлены в противоположные стороны.

У каждого из нас своя средняя скорость выполнения чего-либо. Ваш уровень продуктивности и эффективности — это равновесие продуктивности и непродуктивности сил в вашей жизни.

Что такое силы продуктивности и непродуктивности?

Силы продуктивности — это сосредоточенность, позитивный настрой и мотивация. А силы непродуктивности — это стресс, недосып и попытки делать десять дел сразу.

Если вы хотите стать более эффективными и продуктивными, у вас есть два варианта:

1. Приложить больше усилий, то есть увеличить количество силы. Вы поднапряжётесь, выпьете ещё чашку кофе и будете больше работать.

Очевидно, что это будет действовать лишь до тех пор, пока вы не перегорите. Увеличение силы может неплохо сработать, но лишь на короткий период.

2. Устранить противодействующие силы. Упростить свою жизнь, научиться говорить «нет», уменьшить количество обязанностей.

Иными словами, устранить всё, что вас сдерживает. Избавившись от противодействующих сил, вы увидите, что теперь ваших усилий (тех же самых, не увеличенных!) хватает, чтобы выполнять гораздо больший объём работы.

Второй вариант — гораздо проще и результативнее. Но большинство людей инстинктивно выбирает первый, потому что не задумывается о законах Ньютона.

Итак:

1. Движущееся тело стремится продолжать движение. Найдите способ приступить к делу в течение двух минут.

1. Стремитесь не только напряжённо работать, но и работать над правильными вещами. Ваши силы ограниченны. Направление их приложения также важно.

3. Продуктивность является балансом противоположных сил. Если вы хотите быть более продуктивным, вы можете либо «продавить» препятствия, либо устранить силы противодействия. Второй вариант менее стрессовый.

10 научных законов и теорий, которые должен знать каждый

Ученые с планеты Земля используют массу инструментов, пытаясь описать то, как работает природа и вселенная в целом. Что они приходят к законам и теориям. В чем разница? Научный закон можно зачастую свести к математическому утверждению, вроде E = mc²; это утверждение базируется на эмпирических данных и его истинность, как правило, ограничивается определенным набором условий. В случае E = mc² — скорость света в вакууме.

Научная теория зачастую стремится синтезировать ряд фактов или наблюдений за конкретными явлениями. И в целом (но не всегда) выходит четкое и проверяемое утверждение относительно того, как функционирует природа. Совсем не обязательно сводить научную теорию к уравнению, но она на самом деле представляет собой нечто фундаментальное о работе природы.

Как законы, так и теории зависят от основных элементов научного метода, например, создании гипотез, проведения экспериментов, нахождения (или не нахождения) эмпирических данных и заключение выводов. В конце концов, ученые должны быть в состоянии повторить результаты, если эксперименту суждено стать основой для общепринятного закона или теории.

В этой статье мы рассмотрим десять научных законов и теорий, которые вы можете освежить в памяти, даже если вы, к примеру, не так часто обращаетесь к сканирующему электронному микроскопу. Начнем со взрыва и закончим неопределенностью.

Теория Большого Взрыва

Если и стоит знать хотя бы одну научную теорию, то пусть она объяснит, как вселенная достигла нынешнего своего состояния (или не достигла, если опровергнут). На основании исследований, проведенных Эдвином Хабблом, Жоржем Леметром и Альбертом Эйнштейном, теория Большого Взрыва постулирует, что Вселенная началась 14 миллиардов лет назад с массивного расширения. В какой-то момент Вселенная была заключена в одной точке и охватывала всю материю нынешней вселенной. Это движение продолжается и по сей день, а сама вселенная постоянно расширяется.

Теория Большого Взрыва получила широкую поддержку в научных кругах после того, как Арно Пензиас и Роберт Уилсон обнаружили космический микроволновый фон в 1965 году. С помощью радиотелескопов два астронома обнаружили космический шум, или статику, которая не рассеивается со временем. В сотрудничестве с принстонским исследователем Робертом Дике, пара ученых подтвердила гипотезу Дике о том, что первоначальный Большой Взрыв оставил после себя излучение низкого уровня, которое можно обнаружить по всей Вселенной.

Закон космического расширения Хаббла

Давайте на секунду задержим Эдвина Хаббла. В то время как в 1920-х годах бушевала Великая депрессия, Хаббл выступал с новаторским астрономическим исследованием. Он не только доказал, что были и другие галактики помимо Млечного Пути, но также обнаружил, что эти галактики несутся прочь от нашей собственной, и это движение он назвал разбеганием.

Для того, чтобы количественно оценить скорость этого галактического движения, Хаббл предложил закон космического расширения, он же закон Хаббла. Уравнение выглядит так: скорость = H0 x расстояние. Скорость представляет собой скорость разбегания галактик; H0 — это постоянная Хаббла, или параметр, который показывает скорость расширения вселенной; расстояние — это расстояние одной галактики до той, с которой происходит сравнение.

Постоянная Хаббла рассчитывалась при разных значениях в течение достаточно долгого времени, однако в настоящее время она замерла на точке 70 км/с на мегапарсек. Для нас это не так важно. Важно то, что закон представляет собой удобный способ измерения скорости галактики относительно нашей собственной. И еще важно то, что закон установил, что Вселенная состоит из многих галактик, движение которых прослеживается до Большого Взрыва.

Законы планетарного движения Кеплера

На протяжении веков ученые сражались друг с другом и с религиозными лидерами за орбиты планет, особенно за то, вращаются ли они вокруг Солнца. В 16 веке Коперник выдвинул свою спорную концепцию гелиоцентрической Солнечной системы, в которой планеты вращаются вокруг Солнца, а не Земли. Однако только с Иоганном Кеплером, который опирался на работы Тихо Браге и других астрономов, появилась четкая научная основа для движения планет.

Три закона планетарного движения Кеплера, сложившиеся в начале 17 века, описывают движение планет вокруг Солнца. Первый закон, который иногда называют законом орбит, утверждает, что планеты вращаются вокруг Солнца по эллиптической орбите. Второй закон, закон площадей, говорит, что линия, соединяющая планету с солнцем, образует равные площади через равные промежутки времени. Другими словами, если вы измеряете площадь, созданную нарисованной линией от Земли от Солнца, и отслеживаете движение Земли на протяжении 30 дней, площадь будет одинаковой, вне зависимости от положения Земли касательно начала отсчета.

Третий закон, закон периодов, позволяет установить четкую взаимосвязь между орбитальным периодом планеты и расстоянием до Солнца. Благодаря этому закону, мы знаем, что планета, которая относительно близка к Солнцу, вроде Венеры, имеет гораздо более краткий орбитальный период, чем далекие планеты, вроде Нептуна.

Универсальный закон тяготения

Сегодня это может быть в порядке вещей, но более чем 300 лет назад сэр Исаак Ньютон предложил революционную идею: два любых объекта, независимо от их массы, оказывают гравитационное притяжение друг на друга. Этот закон представлен уравнением, с которым многие школьники сталкиваются в старших классах физико-математического профиля.

F = G ×

F — это гравитационная сила между двумя объектами, измеряемая в ньютонах. M1 и M2 — это массы двух объектов, в то время как r — это расстояние между ними. G — это гравитационная постоянная, в настоящее время рассчитанная как 6,67384(80)·10−11 или Н·м²·кг−2.

Преимущество универсального закона тяготения в том, что он позволяет вычислить гравитационное притяжение между двумя любыми объектами. Эта способность крайне полезна, когда ученые, например, запускают спутник на орбиту или определяют курс Луны.

Законы Ньютона

Раз уж мы заговорили об одном из величайших ученых, когда-либо живущих на Земле, давайте поговорим о других знаменитых законах Ньютона. Его три закона движения составляют существенную часть современной физики. И как и многие другие законы физики, они элегантны в своей простоте.

Первый из трех законов утверждает, что объект в движении остается в движении, если на него не действует внешняя сила. Для шарика, который катится по полу, внешней силой может быть трение между шаром и полом, или же мальчик, который бьет по шарику в другом направлении.

Второй закон устанавливает связь между массой объекта (m) и его ускорением (a) в виде уравнения F = m x a. F представляет собой силу, измеряемую в ньютонах. Также это вектор, то есть у него есть направленный компонент. Благодаря ускорению, мяч, который катится по полу, обладает особым вектором в направлении его движения, и это учитывается при расчете силы.

Третий закон довольно содержательный и должен быть вам знаком: для каждого действия есть равное противодействие. То есть для каждой силы, приложенной к объекту на поверхности, объект отталкивается с такой же силой.

Законы термодинамики

Британский физик и писатель Ч. П. Сноу однажды сказал, что неученый, который не знал второго закона термодинамики, был как ученый, который никогда не читал Шекспира. Нынче известное заявление Сноу подчеркивало важность термодинамики и необходимость даже людям, далеким от науки, знать его.

Термодинамика — это наука о том, как энергия работает в системе, будь то двигатель или ядро Земли. Ее можно свести к нескольким базовым законам, которые Сноу обозначил следующим образом:

  • Вы не можете выиграть.
  • Вы не избежите убытков.
  • Вы не можете выйти из игры.

Давайте немного разберемся с этим. Говоря, что вы не можете выиграть, Сноу имел в виду то, что поскольку материя и энергия сохраняются, вы не можете получить одно, не потеряв второе (то есть E=mc²). Также это означает, что для работы двигателя вам нужно поставлять тепло, однако в отсутствии идеально замкнутой системы некоторое количество тепла неизбежно будет уходить в открытый мир, что приведет ко второму закону.

Второй закон — убытки неизбежны — означает, что в связи с возрастающей энтропией, вы не можете вернуться к прежнему энергетическому состоянию. Энергия, сконцентрированная в одном месте, всегда будет стремиться к местам более низкой концентрации.

Наконец, третий закон — вы не можете выйти из игры — относится к абсолютному нулю, самой низкой теоретически возможной температуре — минус 273,15 градуса Цельсия. Когда система достигает абсолютного нуля, движение молекул останавливается, а значит энтропия достигнет самого низкого значения и не будет даже кинетической энергии. Но в реальном мире достичь абсолютного нуля невозможно — только очень близко к нему подойти.

Сила Архимеда

После того как древний грек Архимед открыл свой принцип плавучести, он якобы крикнул «Эврика!» (Нашел!) и побежал голышом по Сиракузам. Так гласит легенда. Открытие было вот настолько важным. Также легенда гласит, что Архимед обнаружил принцип, когда заметил, что вода в ванной поднимается при погружении в него тела.

Согласно принципу плавучести Архимеда, сила, действующая на погруженный или частично погруженный объект, равна массе жидкости, которую смещает объект. Этот принцип имеет важнейшее значение в расчетах плотности, а также проектировании подлодок и других океанических судов.

Эвoлюция и естественный отбор

Теперь, когда мы установили некоторые из основных понятий о том, с чего началась Вселенная и как физические законы влияют на нашу повседневную жизнь, давайте обратим внимание на человеческую форму и выясним, как мы дошли до такого. По мнению большинства ученых, вся жизнь на Земле имеет общего предка. Но для того, чтобы образовалась такая огромная разница между всеми живыми организмами, некоторые из них должны были превратиться в отдельный вид.

В общем смысле, эта дифференциация произошла в процессе эволюции. Популяции организмов и их черты прошли через такие механизмы, как мутации. Те, у кого черты были более выгодными для выживания, вроде коричневых лягушек, которые отлично маскируются в болоте, были естественным образом избраны для выживания. Вот откуда взял начало термин естественный отбор.

Можно умножить две этих теории на много-много времени, и собственно это сделал Дарвин в 19 веке. Эволюция и естественный отбор объясняют огромное разнообразие жизни на Земле.

Общая теория относительности

Общая теория относительности Альберта Эйнштейна была и остается важнейшим открытием, которое навсегда изменила наш взгляд на вселенную. Главным прорывом Эйнштейна было заявление о том, что пространство и время не являются абсолютными, а гравитация — это не просто сила, приложенная к объекту или массе. Скорее гравитация связана с тем, что масса искривляет само пространство и время (пространство-время).

Чтобы осмыслить это, представьте, что вы едете через всю Землю по прямой линии в восточном направлении, скажем, из северного полушария. Через некоторое время, если кто-то захочет точно определить ваше местоположение вы будете гораздо южнее и восточнее своего исходного положения. Это потому что Земля изогнута. Чтобы ехать прямо на восток, вам нужно учитывать форму Земли и ехать под углом немного на север. Сравните круглый шарик и лист бумаги.

Пространство — это в значительной мере то же самое. К примеру, для пассажиров ракеты, летящей вокруг Земли, будет очевидно, что они летят по прямой в пространстве. Но на самом деле, пространство-время вокруг них изгибается под действием силы тяжести Земли, заставляя их одновременно двигаться вперед и оставаться на орбите Земли.

Теория Эйнштейна оказала огромное влияние на будущее астрофизики и космологии. Она объяснила небольшую и неожиданную аномалию орбиты Меркурия, показала, как изгибается свет звезд и заложила теоретические основы для черных дыр.

Принцип неопределенности Гейзенберга

Расширение теории относительности Эйнштейна рассказало нам больше о том, как работает Вселенная, и помогло заложить основу для квантовой физики, что привело к совершенно неожиданному конфузу теоретической науки. В 1927 году осознание того, что все законы вселенной в определенном контексте являются гибкими, привело к ошеломительному открытию немецкого ученого Вернера Гейзенберга.

Постулируя свой принцип неопределенности, Гейзенберг понял, что невозможно одновременно знать с высоким уровнем точности два свойства частицы. Вы можете знать положение электрона с высокой степенью точности, но не его импульс, и наоборот.

Позже Нильс Бор сделал открытие, которое помогло объяснить принцип Гейзенберга. Бор выяснил, что электрон обладает качествами как частицы, так и волны. Концепция стала известна как корпускулярно-волновой дуализм и легла в основу квантовой физики. Поэтому, когда мы измеряем положение электрона, мы определяем его как частицу в определенной точке пространства с неопределенной длиной волны. Когда мы измеряем импульс, мы рассматриваем электрон как волну, а значит можем знать амплитуду ее длины, но не положение.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *