Физика

Введение

 

Физика помогает нам строить модели и описывать с их помощью окружающие нас явления и процессы.

 

Но любая модель является приближенным описанием того, что происходит на самом деле – составляя модель, мы всегда что-то отбрасываем, округляем.

Для описания движения падающего шарика мы можем измерять высоту шарика относительно земли, время его падения (см. рис. 1).

Рис. 1. Наблюдение падения шарика, измерение параметров падения

Мы умеем получать уравнение движения такого шарика, которое связывает высоту и время: . Но это всего лишь одна из возможных моделей – для того, чтобы ее составить, мы тоже выполнили округление – пренебрегли сопротивлением воздуха (см. рис. 2).

Рис. 2. Сопротивление воздуха, которым мы пренебрегли

Для решения задач (расчета физических моделей) мы вводим величины, которые нельзя увидеть, а можно измерить только косвенно, по наблюдаемым проявлениям.

Вернемся к примеру с шариком – при ударе о землю он нагревается (см. рис. 3).

Рис. 3. Нагревание шарика при ударе о поверхность

Мы можем определить это, измерив его температуру. Но температура – это усредненная характеристика скорости движения молекул тела. Мы не можем увидеть это движение, поэтому вводим величину, которая его характеризует и которую умеем измерять – температуру.

Эволюция вынудила наш организм научиться различать категории «холодно – тепло», поэтому такая величина, как температура, кажется нам естественной (как и высота, время, сила).

Но мы используем и другие величины – например, энергию. Для нас это полезный инструмент, потому что мы определили энергию как то, что не меняется в замкнутой системе. Но что это такое?

Нам не обязательно отвечать на этот вопрос – главное, что при помощи этой величины можно решать задачи (и полученные результаты согласуются с тем, что мы наблюдаем в реальной жизни).

Для решения задач мы использовали закон сохранения энергии: общая энергия замкнутой системы постоянна и может только переходить из одного вида в другой (при падении шарика потенциальная энергия переходит в кинетическую, но общая энергия замкнутой системы тел «шарик – Земля» при этом не меняется) (см. рис. 4).

Рис. 4. Переход энергии из одного вида в другой

Еще одна величина, законом сохранения которой мы постоянно пользовались, – масса. Мы строили модели и решали задачи исходя из того, что масса тел в замкнутой системе неизменна (даже химическая реакция не приводила к изменению суммарной массы веществ, которые в ней участвовали) (см. рис. 5).

Рис. 5. Химическая реакция веществ

Оказалось, что эти два закона объединены в один: масса эквивалентна энергии и любое изменение энергии сопровождается изменением массы по закону .

То есть если на очень точных весах измерить массу веществ до и после химической реакции, во время которой происходило выделение тепла (энергии), то окажется, что вторая масса будет меньше первой (где-то на  кг при выделении тепла 1 кДж).

Поскольку скорость света – величина очень большая, то в задачах, которые мы решали до сих пор, изменение массы тел было настолько незначительным, что никак не влияло на получаемые результаты (с требуемой нам точностью).

Но в этом разделе мы будем говорить о ядерных реакциях, при которых изменение массы вещества настолько существенно, что не учитывать его уже нельзя.

 

---

Масса и энергия

До этого мы изучали процессы, в которых набор атомов в веществах не меняется. При переходе из одного агрегатного состояния вещества в другое (например, лед – вода или вода – пар) изменяется взаимодействие между молекулами, но сами молекулы остаются такими же (см. рис. 6). Рис. 6. Изменение агрегатного состояния вещества При химических реакциях (например, соединении с кислородом – горении) происходит превращение веществ (см. рис. 7). Рис. 7. Горение Но изменяются связи между атомами, сам набор атомов не меняется, превращения материи не происходит. Можно воспользоваться такой аналогией: представьте, что у вас есть несколько игрушек, собранных из зеленых, желтых и красных деталей набора (см. рис. 8). Рис. 8. Детали игрушек Мы можем разобрать игрушки на детали, собрать из них новые игрушки (или одну большую), но все, что у нас получится, будет содержать те же зеленые, желтые и красные детали. Синяя деталь в собранных игрушках появиться не могла. Но оказывается, сами атомы могут превращаться из одного вида в другой (см. рис. 9). Рис. 9. Превращение атомов В результате реакций, которые называются ядерными, атомы одного вещества могут превращаться в атомы другого. Продолжая нашу аналогию – зеленая или желтая деталь может превратиться в синюю (см. рис. 10). Рис. 10. Аналогия с деталью Что при этом происходит? Представьте, что желтые, красные и зеленые детали составлены из более мелких деталей. И если разобрать крупные детали на мелкие, а затем сложить мелкие особым образом, то получится синяя деталь (см. рис. 11). Рис. 11. Аналогия с превращением детали Похожая ситуация происходит и с атомами: атом не неделимый, а состоит из более мелких частиц (см. рис. 12). Рис. 12. Распад ядра урана Нам еще предстоит разобрать подробнее, как перестраиваются частицы – составляющие ядра – так, что из одного вещества получается другое. Но для того чтобы удерживать частицы в атоме, нужна энергия. При высвобождении частиц высвобождается также и сдерживающая их энергия, причем в огромных количествах. Она настолько большая, что становится заметным изменение массы вещества. Это мы и будем подразумевать, когда будем говорить: масса переходит в энергию. Конечно, это упрощенное объяснение, на уроках раздела мы более строго опишем происходящие процессы.

---

 

 

Модель и аналогия

 

 

Наши органы чувств достаточно совершенные приборы, которые мы используем для изучения и понимания окружающего мира.

 

Но иногда наших «встроенных» приборов становится недостаточно. Например, мы не можем увидеть движение атомов и молекул или движение электронов в проводнике (см. рис. 13).

Рис. 13. Невозможно увидеть движение атомов, молекул и электронов с помощью органов чувств

Тогда приходится использовать другие приборы или аналогии из привычного наблюдаемого мира.

Молекулы газа мы представляем как шарики, которые движутся и сталкиваются друг с другом. Электрический ток в проводнике представляем как движение воды в трубе (см. рис. 14).

Рис. 14. Представление атомов, молекул и электрического тока

Изучая строение атома, мы представляем крупный шарик – ядро, а вокруг него вращаются шарики поменьше – электроны (см. рис. 15).

Рис. 15. Строение атома

Но это только наше представление, модели, аналогии. Как происходит на самом деле – мы сказать не можем, и вообще непонятно, есть ли какая-то абсолютная истина. Возможно, что нет.

 

---

Как все выглядит на самом деле

Мы воспринимаем мир через наши чувства: зрение, слух, осязание, обоняние, вкус. Кроме пяти основных, выделяют еще ощущения своего положения в пространстве, температуры и других. О так называемом шестом чувстве, интуиции, мы сейчас не говорим. В своих представлениях мы не можем выйти за рамки этих чувств. Мы не знаем, что такое электромагнитная волна вообще, и не можем ее воспринять. У нас есть только глаза, которые обрабатывают небольшой диапазон электромагнитных волн – благодаря этому мы видим окружающий мир и различаем цвета (см. рис. 16). Рис. 16. Спектр излучений Человек придумал разные приборы, которые принимают электромагнитные волны разных диапазонов, но все они адаптируют показания под то, что мы можем увидеть: инфракрасный тепловизор выводит на экран тепловые пятна как цветную картинку (см. рис. 17), другие приборы показывают характеристики стрелкой на шкале... Рис. 17. Тепловизор То есть показывают нам не сами волны, а результат их действия (см. рис. 18). Рис. 18. Регистрация проявлений электромагнитного поля Другой пример – электрон: в планетарной модели атома его описывают как шарик, которые вращается вокруг ядра. Или, по-другому, как облачко некоторой формы вокруг ядра (см. рис. 19). Рис. 19. Вращение электрона вокруг ядра Это облачко называют орбиталью. Когда нам говорят слово «шарик» или «облачко», мы можем себе представить эти объекты, так как видели их. Но никто из нас не видел, как летит электрон. Поэтому и вопрос в названии ответвления некорректный, ведь мы не можем увидеть многие процессы и явления. Главное, что модели, которые мы описали, являются корректными, если мы с их помощью можем решать конкретные задачи и получать приемлемый практический результат.

---

 

 

Аналогии, связанные со скоростями

 

 

С явлениями, которые вы будете изучать в этом разделе, вы вряд ли столкнетесь в реальной жизни. Представить их или провести понятную аналогию достаточно сложно.

 

Например, релятивистская механика занимается изучением движения тел со скоростями, близкими к скорости света. Это 300 000 км/с.

В наблюдаемых нами явлениях скорости намного меньше: скорость пули после выстрела из винтовки составляет около 1 км/с, самый быстрый космический аппарат «Вояджер» запущен со скоростью 17 км/с, Земля движется вокруг Солнца со скоростью 30 км/с. Разве что в Большом адронном коллайдере элементарные частицы разгоняют до скоростей, приближенных к скорости света.

Представьте себе человека, который всю жизнь прожил среди улиток. Сможет ли он представить себе, как летит пуля? Что она нагревается, что для описания ее движения важно учитывать сопротивление воздуха?

Отношение скорости пули к скорости улитки такое же, как скорости света к скорости пули (см. рис. 20).

Рис. 20. Отношение скоростей

Поэтому и нам сложно представить и понять, почему на таких скоростях время замедляется, а расстояние сокращается. У нас нет ни аналогий, ни соответствующего жизненного опыта.

 

Искривление пространства

 

 

Иногда замедление и ускорение времени пытаются объяснить искривлением пространства: в каком-то месте оно как бы сжимается, там время течет медленнее, а в другом – расширяется, там время течет быстрее (см. рис. 21).

 

Рис. 21. Искривление пространства

Чтобы понять эту аналогию, представьте себе дороги. Если ехать по прямой, то окажешься в пробке (аналог сжатого пространства), а поедешь в объезд (по более длинной, но свободной дороге), доберешься быстрее – получится «ближе» (см. рис. 22).

Рис. 22. Аналогия с пробками

Опять же, это аналогия с использованием тех понятий, которыми мы владеем. Что происходит на самом деле, в голове все равно не укладывается, вряд ли там что-то явно расширяется и сжимается, но приведенное объяснение хотя бы позволяет мыслить понятными нам категориями. А подробно изучать эти явления мы будем с помощью математических моделей.

 

Физические величины и формулы

 

 

Вспомним, как для описания различных явлений мы вводили физические величины и записывали формулы, которые их связывают. Колеблется маятник – можем вычислить период его колебаний (см. рис. 23).

 

 

Рис. 23. Период колебаний и количество теплоты

В чайнике нагревается вода – можем посчитать количество теплоты, которое при этом передается воде. Эти формулы помогали нам описывать процессы количественно.

Итак, явление мы можем себе представить и можем описать его формулой. Обязательно ли делать и то, и то? Конечно, нет! Когда изобретали колесо, никто не выписывал формулы силы трения или моментов сил. Но это никак не помешало людям использовать колесо. А в теории относительности, квантовой физике мы можем сделать наоборот – выводить для процесса формулы, решать задачи и подтверждать результат экспериментально, но не представлять, как на самом деле протекает процесс. Мы уже поступали похожим образом с энергией: ее превращения мы не видим (только то, что происходит в результате), но можем измерять высоту, скорость и другие величины и с помощью формул описывать и предсказывать поведение тел (см. рис. 24).

Рис. 24. Измерение величин

Но как же получить эти формулы, если мы не наблюдаем за процессом? Да, непосредственного наблюдения нет, но мы можем измерять начальные данные и конечный результат (проявления процесса – мы не знаем скорости движения молекул, но можем измерить «наблюдаемый результат» – температуру тела). Математические расчеты и теории помогают вывести формулы, а их правильность можно проверить эмпирически – сравнив с результатами экспериментов.

В ходе рассмотрения тем этого раздела вам могут встретиться уже знакомые понятия. Например, масса, давление. Вспомним, что масса является мерой инертности тела, или мерой его гравитационного взаимодействия (см. рис. 25).

Рис. 25. Гравитационное взаимодействие

А давление возникает при действии одного тела на другое (см. рис. 26).

Рис. 26. Давление

 

Опыты Лебедева

 

 

Мы будем изучать опыты Лебедева – он экспериментально выявил давление света на легкие металлические пластинки (см. рис. 27).

 

Рис. 27. Опыты Лебедева

Почему оно возникает? Это можно объяснить, введя понятие «частицы света» – кванта или фотона со своей массой и импульсом. Такая частица должна создавать давление, сталкиваясь с пластиной.

Но как это понять? Мы же изучали свет как электромагнитную волну, как она может быть одновременно частицей?

Эти термины не стоит воспринимать буквально. Слова «масса» и «давление» здесь указывают на аналогию с механическим давлением – в опытах Лебедева создавалось давление на пластинку. Можно представить, что свет – это поток шариков, фотонов, которые имеют массу m. С массой связана другая величина – импульс: . Фотоны попадают на зеркальную пластинку, отражаются от нее, изменяют свой импульс Δp (см. рис. 28).

Рис. 28. Изменение импульса фотонов

Если меняется импульс, значит, есть сила взаимодействия . Получается, фотоны действуют на пластинку, оказывают давление .

Эти формулы механики полностью описывают данную модель. Но это не значит, что фотоны – это шарики и они врезаются в пластинку.

Здесь шарики – это понятный нам способ представить явление, а не его непосредственное описание.

 

Итоги

 

 

На уроках вы познакомитесь с квантовой физикой и СТО. Как и в других темах, это будут только основы. Ведь для более глубокого изучения нужен математический аппарат, который в школе не изучается. Но у квантовой физики и СТО есть одно важное отличие от других областей физики: они очень молодые – им чуть более 100 лет. Для сравнения: механикой занимались еще древние греки, а МКТ развивалась с XVII века. Поэтому во многих вопросах квантовой физики и СТО нет полной ясности. Так что если вам что-то непонятно, не бойтесь использовать дополнительные источники. В них вы сможете найти альтернативный подход к объяснениям и другие аналогии для понимания явлений.

 

На этом урок окончен, спасибо за внимание!

 

Список литературы

1. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Чаругин В.М. Физика 11 кл.: учебник для общеобразовательных учреждений. – 23-е изд. – М.: Просвещение, 2014. – 400 с.
2. Соколович Ю.А., Богданова Г.С. Физика: справочник с примерами решения задач. – 2-е издание, передел. – X.: Веста: издательство «Ранок», 2005. – 464 с.

 

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет-портал «naked-science.ru» (Источник)
2. Интернет-портал «spacegid.com» (Источник)
3. Интернет-портал «physbook.ru» (Источник)

 

Домашнее задание

1. Что такое модель? Почему мы не можем использовать всегда одну и ту же модель?
2. Расскажите о явлениях, явно не наблюдаемых. Каким образом мы их изучаем?
3. Сформулируйте закон сохранения энергии.
4. Что такое «искривление пространства»?