Naujos sąvokos atsirado tiriant elektrinius reiškinius, tačiau pirmą kartą jas lengviau pristatyti per mechaniką. Žinome, kad dvi dalelės traukia viena kitą ir kad jų traukos stiprumas mažėja didėjant atstumo kvadratui. Šį faktą galime pavaizduoti ir kitaip, tą ir padarysime, nors naujojo metodo privalumus suvokti sunku. Mažas apskritimas pav. 49 reiškia traukiantį kūną, tarkime, Saulę. Iš tikrųjų mūsų paveikslas turėtų būti pateikiamas kaip modelis erdvėje, o ne kaip piešinys plokštumoje. Tada mažasis ratas taptų erdvėje sfera, vaizduojančia Saulę. Kūnas, kurį vadinsime bandomasis kūnas, padėtas kur nors netoli Saulės, bus pritrauktas prie Saulės, o traukos jėga bus nukreipta išilgai linijos, jungiančios abiejų kūnų centrus. Taigi mūsų paveikslo linijos rodo Saulės gravitacinės jėgos kryptį įvairioms bandomojo kūno padėtyse. Kiekvienoje eilutėje esančios rodyklės rodo, kad jėga nukreipta į Saulę; tai reiškia, kad ši jėga yra patraukli jėga. Tai gravitacinio lauko linijos. Kol kas tai tik pavadinimas, ir nėra jokios priežasties apie tai kalbėti išsamiau. Mūsų piešinys turi vieną būdingą bruožą, kurį apžvelgsime vėliau. Jėgos linijos nutiestos erdvėje, kur nėra materijos. Nors visos jėgos linijos, trumpai tariant, lauke, parodykite tik tai, kaip elgsis bandomasis kūnas, esantis šalia sferinio kūno, kuriam sukurtas laukas.
Mūsų erdvinio modelio linijos visada yra statmenos sferos paviršiui. Kadangi jie skiriasi nuo vieno taško, jie yra tankiau išsidėstę šalia sferos ir vis labiau skiriasi vienas nuo kito tolstant nuo jos. Jei atstumą nuo sferos padidinsime du ar tris kartus, tai erdvinio modelio linijų tankis (bet ne mūsų brėžinyje!) bus keturis ar devynis kartus mažesnis. Taigi linijos turi du tikslus. Viena vertus, jie rodo jėgų, veikiančių kūną, esantį greta sferos – Saulės, kryptį; kita vertus, jėgos linijų tankis parodo, kaip jėga kinta priklausomai nuo atstumo. Paveikslėlyje esantis lauko vaizdas, teisingai interpretuotas, apibūdina gravitacijos jėgos kryptį ir jos priklausomybę nuo atstumo. Iš tokio piešinio taip pat gerai galima perskaityti gravitacijos dėsnį, kaip ir iš jo veikimo aprašymo žodžiais arba tikslia ir menka matematikos kalba. Tai lauko reprezentacija, kaip pavadinsime, gali atrodyti aiškus ir įdomus, tačiau nėra pagrindo manyti, kad jo įvedimas reiškia kokią nors tikrą pažangą. Sunku būtų įrodyti jo naudingumą gravitacijos atveju. Gal kam nors bus naudinga šias linijas laikyti ne šiaip piešiniu, o kažkuo O didesnis, ir įsivaizduokite realius jėgų, einančių išilgai linijų, veiksmus. Tai galima padaryti, bet tada veikimo greitis pagal jėgos linijas turi būti laikomas be galo dideliu. Tarp dviejų kūnų veikianti jėga pagal Niutono dėsnį priklauso tik nuo atstumo; laikas į atlygį neįskaičiuojamas. Nereikia laiko perkelti jėgą iš vieno kūno į kitą. Bet kadangi judesys begaliniu greičiu nieko nesako jokiam protingam žmogui, bandymas savo piešinį kažką paversti O didesnis nei modelis nieko neveda. Tačiau dabar neketiname aptarti gravitacijos problemos. Tai mums pasitarnavo tik kaip įvadas, siekiant supaprastinti panašių samprotavimo metodų paaiškinimą elektros teorijoje.
Pradedame nuo eksperimento, kuris sukėlė rimtų sunkumų mechaniniu požiūriu, aptarimu. Leiskite mums, kad srovė teka per apskritimo formos laidininką. Šios ritės centre yra magnetinė adata. Tuo metu, kai atsiranda srovė, atsiranda nauja jėga, veikianti magnetinį polių ir statmena linijai, jungiančiai laidą ir polių. Ši jėga, kurią sukelia apskritimu judantis krūvis, priklauso, kaip parodė Rowlando eksperimentas, nuo krūvio greičio. Šie eksperimentiniai faktai prieštarauja įprastam požiūriui, pagal kurį visos jėgos turi veikti išilgai dalelių jungiančios linijos ir gali priklausyti tik nuo atstumo.
Labai sunku tiksliai išreikšti jėgą, kuria srovė veikia magnetinį polių; Tiesą sakant, jis yra daug sudėtingesnis nei gravitacinių jėgų išraiška. Tačiau galime pabandyti įsivaizduoti jo veiksmus taip pat aiškiai, kaip ir gravitacijos atveju. Mūsų klausimas yra toks: kokia jėga srovė veikia magnetinį polių, esantį bet kurioje vietoje, esančioje šalia laidininko, kuriuo teka srovė? Šią galią būtų gana sunku apibūdinti žodžiais. Netgi matematinė formulė būtų sudėtinga ir nepatogi. Daug geriau viską, ką žinome apie jėgų veikimą, pavaizduoti naudojant piešinį, tiksliau, naudojant erdvinį modelį su jėgos linijomis. Kai kurie sunkumai kyla dėl to, kad magnetinis polius egzistuoja tik kartu su kitu magnetiniu poliumi, sudarydamas dipolį. Tačiau visada galime įsivaizduoti tokio ilgio magnetinį dipolį, kad bus galima atsižvelgti į jėgą, veikiančią tik tą polių, kuris yra šalia srovės. Kitas polius gali būti laikomas tokiu tolimu, kad jį veikiančios jėgos galima nepaisyti. Tikslumui manysime, kad šalia laido, kuriuo teka srovė, yra magnetinis polius teigiamas.
Jėgos, veikiančios teigiamą magnetinį polių, pobūdį galima matyti iš Fig. 50. Rodyklės šalia laido rodo srovės kryptį nuo didžiausio potencialo iki mažiausio.
|
Visos kitos linijos yra šios srovės lauko linijos, esančios tam tikroje plokštumoje. Jei piešinys atliktas tinkamai, šios linijos gali mums padėti suprasti tiek vektoriaus, apibūdinančio srovės poveikį teigiamam magnetiniam poliui, kryptį, tiek šio vektoriaus ilgį. Jėga, kaip žinome, yra vektorius, ir norėdami ją nustatyti, turime žinoti vektoriaus kryptį ir ilgį. Mus labiausiai domina jėgos, veikiančios ašigalį, krypties klausimas. Mūsų klausimas yra toks: kaip, remiantis figūra, galime rasti jėgos kryptį bet kuriame erdvės taške?
Tokio modelio jėgos krypties nustatymo taisyklė nėra tokia paprasta kaip ankstesniame pavyzdyje, kur jėgos linijos buvo tiesios. Kad būtų lengviau samprotauti, toliau pateiktame paveikslėlyje nubrėžta tik viena lauko linija (51 pav.). Jėgos vektorius yra ant jėgos linijos liestinės, kaip parodyta paveikslėlyje. Jėgos vektoriaus rodyklė sutampa su jėgos linijų rodyklėmis. Todėl tai yra kryptis, kuria jėga veikia magnetinį polių tam tikrame taške. Gražus piešinys, tiksliau geras modelis taip pat kai ką pasako apie jėgos vektoriaus ilgį bet kuriame taške. Šis vektorius turėtų būti ilgesnis ten, kur linijos yra tankesnės, ty šalia laidininko, ir trumpesnis ten, kur linijos yra mažiau tankios, ty toliau nuo laidininko.
Tokiu būdu jėgos linijos arba, kitaip tariant, laukas leidžia nustatyti jėgas, veikiančias magnetinį polių bet kuriame erdvės taške. Kol kas tai yra vienintelis kruopštaus lauko statybos pagrindimas. Žinant tai O išreiškia lauką, su gilesniu susidomėjimu apsvarstysime jėgos linijas, susijusias su srove. Šios linijos yra apskritimai; jie supa laidininką ir yra plokštumoje, statmenoje plokštumai, kurioje yra srovės kilpa. Atsižvelgdami į jėgos pobūdį paveiksle, dar kartą prieiname prie išvados, kad jėga veikia statmena bet kuriai laidininką ir polių jungiančiai linijai, nes apskritimo liestinė visada yra statmena jos spinduliui. Galime apibendrinti visas savo žinias apie jėgų veikimą kuriant lauką. Mes pristatome lauko sąvoką kartu su srovės ir magnetinio poliaus sąvokomis, kad būtų paprasčiau pavaizduoti veikiančias jėgas.
|
Kiekviena srovė yra susijusi su magnetinis laukas; kitaip tariant, magnetinis polius, esantis šalia laidininko, kuriuo teka srovė, visada yra veikiamas tam tikros jėgos. Pastebėkime, kad ši srovės savybė leidžia mums sukurti jautrų įrenginį srovei aptikti. Išmokę atpažinti magnetinių jėgų prigimtį iš lauko modelio, susieto su srove, visada nubraižysime laidininką supantį lauką, kuriuo teka srovė, kad pavaizduotume magnetinių jėgų veikimą bet kuriame erdvės taške. . Kaip pirmąjį pavyzdį pažvelgsime į vadinamąjį solenoidą. Tai yra vielos spiralė, kaip parodyta fig. 52. Mūsų užduotis yra eksperimento būdu ištirti viską, ką galima žinoti apie magnetinį lauką, susijusį su srove, tekančia per solenoidą, ir sujungti šias žinias kuriant lauką. Nuotraukoje parodytas rezultatas. Išlenktos jėgos linijos uždaros; jie supa solenoidą, charakterizuojantys srovės magnetinį lauką.
Magnetinio strypo generuojamas laukas gali būti pavaizduotas taip pat, kaip ir srovės laukas. Ryžiai. 53 tai rodo. Jėgos linijos nukreiptos iš teigiamo poliaus į neigiamą. Jėgos vektorius visada yra lauko linijos liestinėje ir yra didžiausias šalia ašigalio, nes šiose vietose lauko linijos yra tankiausiai. Jėgos vektorius išreiškia magneto poveikį teigiamam magnetiniam poliui. Šiuo atveju magnetas, o ne srovė, yra lauko „šaltinis“.
Paskutinius du skaičius reikia atidžiai palyginti. Pirmuoju atveju turime srovės, tekančios per solenoidą, magnetinį lauką, antruoju - magnetinio strypo lauką. Į solenoidą ir strypą nekreipsime dėmesio, o atsižvelgsime tik į jų sukuriamus išorinius laukus. Iš karto pastebime, kad jie turi lygiai tą patį charakterį; abiem atvejais jėgos linijos eina nuo vieno galo – solenoido arba strypo – į kitą.
Lauko idėja duoda pirmuosius vaisius! Būtų labai sunku įžvelgti kokį nors ryškų panašumą tarp srovės, tekančios per solenoidą ir magnetinį strypą, jei tai nebūtų atskleista lauko struktūroje.
Lauko koncepcija dabar gali būti išbandyta daug rimčiau. Netrukus pamatysime, ar tai daugiau nei naujas veikiančių jėgų atvaizdas. Galima sakyti: trumpam manykime, kad laukas ir tik jis taip pat apibūdina visus jo šaltinio nulemtus veiksmus. Tai tik spėjimas. Tai reikštų, kad jei solenoidas ir magnetas turi tą patį lauką, tada visi jų veiksmai taip pat turi būti vienodi. Tai reikštų, kad du solenoidai, kuriais teka elektros srovė, elgiasi kaip du magnetiniai strypai; kad jie traukia arba atstumia vienas kitą, priklausomai nuo jų santykinės padėties, lygiai taip pat, kaip ir magnetinių strypų atveju. Tai taip pat reikštų, kad solenoidas ir strypas vienas kitą pritraukia ir atstumia taip pat, kaip ir du strypai. Trumpai tariant, tai reikštų, kad visi solenoido, kuriuo teka srovė, ir atitinkamo magnetinio strypo veiksmai yra vienodi, nes esminis yra tik laukas, o laukas abiem atvejais yra vienodo pobūdžio. Eksperimentas visiškai patvirtina mūsų prielaidą!
Kaip sunku būtų numatyti šiuos faktus be lauko sąvokos! Jėgos, veikiančios tarp srovės laidininko ir magnetinio poliaus, išraiška yra labai sudėtinga. Dviejų solenoidų atveju turėtume ištirti jėgas, kuriomis abi srovės veikia viena kitą. Bet jei tai darome lauko pagalba, iš karto nustatome visų šių veiksmų pobūdį, kai tik bus atrastas panašumas tarp solenoido lauko ir magnetinio strypo lauko.
Turime teisę manyti, kad ši sritis yra daug didesnė, nei manėme iš pradžių. Paties lauko savybės pasirodo esąs būtinos reiškiniui apibūdinti. Lauko šaltinių skirtumas nėra reikšmingas. Lauko koncepcijos reikšmė atsiskleidžia tuo, kad ji veda prie naujų eksperimentinių faktų.
Laukas pasirodo esąs labai naudinga sąvoka. Jis atsirado kaip kažkas, padėtas tarp šaltinio ir magnetinės adatos, siekiant apibūdinti veikiančią jėgą. Jis buvo laikomas srovės „agentu“, per kurį buvo atliekami visi srovės veiksmai. Tačiau dabar agentas veikia ir kaip vertėjas, verčia įstatymus į paprastą, aiškią, lengvai suprantamą kalbą.
Pirmoji aprašymo sėkmė naudojant lauką parodė, kad jis gali būti patogus atsižvelgiant į visus srovių, magnetų ir krūvių veiksmus, tai yra, atsižvelgiant ne tiesiogiai, o naudojant lauką kaip vertėją. Lauką galima laikyti kažkuo, kuris visada yra susijęs su srove. Jis egzistuoja, net jei nėra magnetinio poliaus, kuriuo būtų galima nustatyti jo buvimą. Pabandykime nuosekliai vadovautis šia nauja pagrindine gija.
|
Įkrauto laidininko laukas gali būti įvestas panašiai kaip gravitacinis laukas arba srovės ar magneto laukas. Dar kartą paimkime paprasčiausią pavyzdį. Norėdami nubrėžti teigiamai įkrautos sferos lauką, turime užduoti klausimą: kokios jėgos veikia mažą teigiamai įkrautą bandomąjį kūną, esantį šalia lauko šaltinio, ty šalia įkrautos sferos? Tai, kad imame teigiamai, o ne neigiamai įkrautą bandomąjį kūną, yra paprastas susitarimas, kuris nustato, kuria kryptimi turi būti nubrėžtos lauko linijos rodyklės. Šis modelis (54 pav.) panašus į gravitacinio lauko modelį dėl Kulono ir Niutono dėsnių panašumo. Vienintelis skirtumas tarp abiejų modelių yra tas, kad rodyklės yra priešingomis kryptimis. Tiesą sakant, du teigiami krūviai atstumia, o dvi masės traukia. Tačiau sferos su neigiamu krūviu laukas (55 pav.) bus identiškas gravitaciniam laukui, nes nedidelį teigiamą bandomąjį krūvį pritrauks lauko šaltinis.
Jei ir elektros krūvis, ir magnetinis polius yra ramybės būsenoje, tai tarp jų nėra jokios sąveikos – nei traukos, nei atstūmimo. Išreikšdami panašų faktą lauko kalba, galime pasakyti: elektrostatinis laukas neturi įtakos magnetostatiniam ir atvirkščiai. Žodžiai „statinis laukas“ reiškia, kad mes kalbame apie lauką, kuris laikui bėgant nekinta. Magnetai ir krūviai galėtų likti vienas šalia kito amžinai, jei jokia išorinė jėga nesutrikdytų jų būklės. Elektrostatiniai, magnetostatiniai ir gravitaciniai laukai savo prigimtimi skiriasi. Jie nesimaišo: kiekvienas išlaiko savo individualumą nepriklausomai nuo kitų.
Grįžkime prie elektrinės sferos, kuri iki šiol buvo ramybės būsenoje, ir manykime, kad ji pajudėjo veikiant kažkokiai išorinei jėgai. Įkrauta sfera juda. Lauko kalboje šis posakis reiškia: elektros krūvio laukas kinta laikui bėgant. Tačiau šios įkrautos sferos judėjimas prilygsta srovei, kaip jau žinome iš Rowlando eksperimento. Be to, kiekvieną srovę lydi magnetinis laukas. Taigi, mūsų išvadų grandinė yra tokia:
Įkrovimo judėjimas → Elektrinio lauko pasikeitimas
Srovė → Magnetinis laukas, susietas su srove.
Todėl darome išvadą:
Keisti elektrinis laukas, kurį sukelia krūvio judėjimas, visada lydi magnetinis laukas.
Mūsų išvada grindžiama Oerstedo patirtimi, tačiau čia yra daugiau nei tai. Jame yra pripažinimas, kad elektrinio lauko, besikeičiančio laikui bėgant, ryšys su magnetiniu lauku yra labai reikšmingas mūsų tolimesnėms išvadoms.
Kadangi krūvis išlieka ramybės būsenoje, egzistuoja tik elektrostatinis laukas. Tačiau kai tik krūvis pradeda judėti, atsiranda magnetinis laukas. Galime pasakyti daugiau. Magnetinis laukas, kurį sukelia krūvio judėjimas, bus stipresnis, kuo didesnis krūvis ir kuo greičiau jis juda. Tai taip pat padaryta iš Rowland patirties. Vėlgi naudojant lauko kalbą, galime pasakyti, kad kuo greičiau keičiasi elektrinis laukas, tuo stipresnis jį lydintis magnetinis laukas.
Pabandysime čia mums jau žinomus faktus iš skysčių teorijos kalbos, išplėtotos pagal senąsias mechanistines pažiūras, išversti į naują srities kalbą. Vėliau pamatysime, kokia aiški, pamokanti ir visapusiška yra mūsų naujoji kalba.
Reliatyvumas ir mechanika
Reliatyvumo teorija būtinai kyla iš rimtų ir gilių senosios teorijos prieštaravimų, iš kurių atrodė, kad nėra išeities. Jėga nauja teorija slypi nuoseklumu ir paprastumu, kuriuo jis išsprendžia visus šiuos sunkumus, pasitelkdamas tik keletą labai įtikinamų prielaidų.
Nors teorija kilo iš lauko problemos, ji turi apimti visus fizikinius dėsnius. Atrodo, kad čia kyla sunkumų. Lauko dėsniai, viena vertus, ir mechanikos dėsniai, iš kitos pusės, yra visiškai skirtingi. Elektromagnetinio lauko lygtys yra nekintamos Lorenco transformacijų atžvilgiu, o mechaninės – klasikinių transformacijų atžvilgiu. Tačiau reliatyvumo teorija reikalauja, kad visi gamtos dėsniai Lorencio, o ne klasikinėse transformacijose būtų nekintantys. Pastarosios yra tik ypatingas, ribojantis Lorenco transformacijų atvejis, kai abiejų koordinačių sistemų santykiniai greičiai yra labai maži. Jei taip, tada klasikinė mechanika turėtų būti modifikuota, kad atitiktų Lorenco transformacijų invariancijos reikalavimą. Arba, kitaip tariant, klasikinė mechanika negalioja, jei greitis artėja prie šviesos greičio. Perėjimas iš vienos koordinačių sistemos į kitą gali būti atliekamas tik vienu būdu - per Lorenco transformacijas.
Klasikinę mechaniką nebuvo sunku pakeisti taip, kad ji neprieštarautų nei reliatyvumo teorijai, nei stebėjimu gautai ir klasikine mechanika paaiškinamos medžiagos gausai. Senoji mechanika galioja esant mažam greičiui ir sudaro ribinį naujosios mechanikos atvejį.
Įdomu apsvarstyti kai kuriuos klasikinės mechanikos kaitos pavyzdžius, kuriuos pristato reliatyvumo teorija. Galbūt tai leis mums padaryti išvadas, kurias galima patvirtinti arba paneigti eksperimentu.
Tarkime, kad tam tikrą masę turintis kūnas juda tiesia linija ir yra veikiamas išorinės jėgos, veikiančios judėjimo kryptimi. Jėga, kaip žinome, yra proporcinga greičio pokyčiui. Arba, aiškiau tariant, nesvarbu, ar tam tikras kūnas padidina savo greitį per vieną sekundę nuo 100 iki 101 metro per sekundę, ar nuo 100 kilometrų iki 100 kilometrų ir vieno metro per sekundę, ar nuo 300 000 kilometrų iki 300 000 kilometrų. ir vienas metras per sekundę. Jėga, reikalinga tam tikram kūnui suteikti bet kokį specifinį greičio pokytį, visada yra vienoda.
Ar ši pozicija teisinga reliatyvumo teorijos požiūriu? Negali būti! Šis įstatymas galioja tik važiuojant mažu greičiu. Koks, remiantis reliatyvumo teorija, yra didelio greičio, artėjančio prie šviesos greičio, dėsnis? Jei greitis didelis, tai jam padidinti reikia itin didelės jėgos. Visiškai ne tas pats, kas vienu metru per sekundę padidinti greitį, lygų maždaug 100 m/s, arba greitį, artėjantį prie šviesos greičio. Kuo greitis artimesnis šviesos greičiui, tuo sunkiau jį padidinti. Kai greitis lygus šviesos greičiui, jo toliau didinti nebeįmanoma. Taigi nauji dalykai, kuriuos pristato reliatyvumo teorija, nestebina. Šviesos greitis yra viršutinė visų greičių riba. Jokia baigtinė jėga, kad ir kokia ji būtų didelė, negali padidinti greičio viršijant šią ribą. Vietoj senojo mechanikos dėsnio, jungiančio jėgą ir greičio pokytį, atsiranda sudėtingesnis dėsnis. Naujuoju požiūriu klasikinė mechanika yra paprastesnė, nes beveik visuose stebėjimuose susiduriame su greičiais, žymiai mažesniais už šviesos greitį.
Ramybės būsenos kūnas turi tam tikrą masę, vadinamąją poilsio masė. Iš mechanikos žinome, kad kiekvienas kūnas priešinasi savo judėjimo pokyčiams; kuo didesnė masė, tuo stipresnis pasipriešinimas, o kuo mažesnė masė – tuo pasipriešinimas silpnesnis. Tačiau reliatyvumo teorijoje turime kai ką daugiau. Kūnas stipriau priešinasi pokyčiams ne tik tuo atveju, kai jo ramybės masė didesnė, bet ir tuo atveju, kai didesnis greitis. Kūnai, kurių greitis artėjo prie šviesos greičio, būtų labai atsparus išorinėms jėgoms. Klasikinėje mechanikoje pasipriešinimas duotas kūnas visada yra kažkas nekintančio, būdingo tik savo mase. Reliatyvumo teorijoje tai priklauso ir nuo ramybės masės, ir nuo greičio. Pasipriešinimas tampa be galo didesnis, kai greitis artėja prie šviesos greičio.
Ką tik paminėtos išvados leidžia teoriją išbandyti eksperimentiniu būdu. Ar sviediniai, judantys artimu šviesos greičiui, priešinasi išorinės jėgos veikimui taip, kaip numato teorija? Kadangi šios reliatyvumo teorijos nuostatos išreiškiamos kiekybinių ryšių forma, teoriją galėtume patvirtinti arba paneigti, jei turėtume sviedinius, judančius artimu šviesos greičiui.
Iš tikrųjų gamtoje randame tokiu greičiu judančius sviedinius. Radioaktyviosios medžiagos, pavyzdžiui, radžio, atomai veikia kaip baterija, kuri šaudo didžiuliu greičiu judančius sviedinius. Nesigilindami į detales, galime išskirti tik vieną svarbiausių šiuolaikinės fizikos ir chemijos požiūrių. Visa pasaulio materija susideda iš elementariųjų dalelių, kurių atmainų skaičius yra mažas. Panašiai viename mieste pastatai skiriasi savo dydžiu, dizainu ir architektūra, tačiau visų jų statybai – nuo trobelės iki dangoraižio – naudojamos tik labai kelios plytų rūšys, visuose pastatuose vienodos. Taigi visi žinomi mūsų materialaus pasaulio cheminiai elementai – nuo lengviausio vandenilio iki sunkiausio urano – yra pagaminti iš tos pačios rūšies plytų, tai yra iš tos pačios rūšies elementariųjų dalelių. Sunkiausi elementai – sudėtingiausios struktūros – yra nestabilūs ir suyra, arba, kaip mes sakome, yra radioaktyvūs. Kai kurios plytos, t.y. elementariosios dalelės, kurie sudaro radioaktyvius atomus, kartais išmetami labai dideliu greičiu, artimu šviesos greičiui. Elemento atomas, tarkime radžio, pagal mūsų modernūs vaizdai, patvirtintas daugybe eksperimentų, turi sudėtingą struktūrą, o radioaktyvusis skilimas yra vienas iš tų reiškinių, kai atskleidžiama, kad atomas yra pastatytas iš paprastesnių plytų – elementariųjų dalelių.
Atlikdami labai išradingus ir sudėtingus eksperimentus galime atrasti, kaip dalelės priešinasi išorinėms jėgoms. Eksperimentai rodo, kad šių dalelių pasipriešinimas priklauso nuo greičio, kaip numato reliatyvumo teorija. Daugeliu kitų atvejų, kai buvo galima aptikti pasipriešinimo priklausomybę nuo greičio, buvo nustatytas visiškas reliatyvumo teorijos ir eksperimento sutapimas. Dar kartą matome esminius kūrybinio darbo bruožus moksle: tam tikrų faktų numatymą teorija ir jų patvirtinimą eksperimentu.
Šis rezultatas veda prie tolimesnio svarbaus apibendrinimo. Ramybės būsenos kūnas turi masę, bet neturi kinetinės energijos, t.y. judėjimo energijos. Judantis kūnas turi ir masę, ir kinetinę energiją. Jis priešinasi greičio pokyčiams stipriau nei kūnas ramybės būsenoje. Atrodo, kad kinetinė energija atrodo, kad judantis kūnas padidina savo pasipriešinimą. Jei dviejų kūnų ramybės masė yra vienoda, tai kūnas, turintis didesnę kinetinę energiją, stipriau priešinasi išorinės jėgos veikimui.
Įsivaizduokime dėžę, užpildytą kamuoliukais; tegul dėžė ir rutuliai yra ramybėje mūsų koordinačių sistemoje. Norint padidinti greitį, reikia tam tikros jėgos. Bet ar ši jėga padidins greitį per tą patį laikotarpį, jei rutuliukai dėžutėje greitai judės visomis kryptimis, kaip dujų molekulės, kurių vidutinis greitis artimas šviesos greičiui? Dabar tai bus būtina O didesnę jėgą, nes padidėjusi kinetinė kamuoliukų energija padidina dėžutės atsparumą. Energija, bent jau kinetinė energija, priešinasi judėjimui taip pat, kaip ir kieta masė. Ar tai taip pat tinka visų rūšių energijai?
Reliatyvumo teorija, remdamasi savo pagrindiniais principais, duoda aiškų ir įtikinamą atsakymą į šį klausimą, atsakymas vėlgi yra kiekybinio pobūdžio: visa energija priešinasi judėjimo pokyčiams; visa energija elgiasi kaip materija; geležies gabalas sveria daugiau, kai jis yra karštas, nei šaltas; Saulės skleidžiama ir per erdvę einanti spinduliuotė turi energijos, todėl turi masę; Saulė ir visos spinduliuojančios žvaigždės praranda masę dėl radiacijos. Ši išvada, visiškai bendro pobūdžio, yra svarbus reliatyvumo teorijos pasiekimas ir atitinka visus faktus, kurie buvo naudojami ją patikrinti.
Klasikinė fizika leido dvi medžiagas – materiją ir energiją. Pirmasis turėjo svorį, o antrasis buvo nesvarus. Klasikinėje fizikoje turėjome du išsaugojimo dėsnius: vieną materijai, kitą – energijai. Jau iškėlėme klausimą, ar šiuolaikinė fizika vis dar išlaiko tokį požiūrį į dvi medžiagas ir du išsaugojimo dėsnius. Atsakymas yra: ne. Remiantis reliatyvumo teorija, didelio skirtumo tarp masės ir energijos nėra. Energija turi masę, o masė reiškia energiją. Vietoj dviejų išsaugojimo įstatymų turime tik vieną: masės energijos tvermės dėsnį. Ši nauja perspektyva pasirodė esanti labai vaisinga tolimesnis vystymas fizika.
Kaip tai, kad energija turi masę, o masė yra energija, taip ilgai liko nežinoma? Ar įkaitintos geležies gabalas sveria daugiau nei šalto lygintuvo gabalas? Dabar mes atsakome „taip“, bet anksčiau atsakėme „ne“. Puslapiai, esantys tarp šių dviejų atsakymų, žinoma, negali nuslėpti šio prieštaravimo.
Sunkumai, su kuriais čia susiduriame, yra tos pačios eilės, kaip ir tie, su kuriais susidūrėme anksčiau. Reliatyvumo teorijos prognozuojamas masės pokytis yra neišmatuojamai mažas ir jo negalima aptikti tiesioginiu svėrimu net ir naudojant labai jautrias svarstykles. Įrodymas, kad energija nėra nesvari, galima gauti daugeliu labai įtikinamų, bet netiesioginių būdų.
Priežastis, kodėl trūksta tiesioginių įrodymų, yra labai mažas medžiagos ir energijos mainų kiekis. Energija masės atžvilgiu yra kaip nuvertėjusi valiuta, paimta didelės vertės valiutos atžvilgiu. Tai paaiškins vienas pavyzdys. Šilumos kiekis, galintis 30 tūkstančių tonų vandens paversti garais, svertų apie vieną gramą. Energija taip ilgai buvo laikoma nesvaria vien todėl, kad ją atitinkanti masė buvo per maža.
Senoji energija-substancija yra antroji reliatyvumo teorijos auka. Pirmoji buvo terpė, kurioje sklinda šviesos bangos.
Reliatyvumo teorijos įtaka gerokai viršija problemas, iš kurių ji kilo. Jis pašalina lauko teorijos sunkumus ir prieštaravimus; jame formuluojami bendresni mechaniniai dėsniai; juo du gamtosaugos įstatymai pakeičiami vienu; tai modifikuoja mūsų klasikinę absoliutaus laiko sampratą. Jo vertė neapsiriboja fizikos sritimi; ji sudaro bendrą sistemą, apimančią visus gamtos reiškinius.
Erdvės ir laiko kontinuumas
„Prancūzijos revoliucija prasidėjo Paryžiuje 1789 m. liepos 14 d. Šis sakinys nustato įvykio vietą ir laiką. Pirmą kartą išgirdančiam šį teiginį ir nežinančiam, ką reiškia Paryžius, būtų galima pasakyti: tai miestas mūsų Žemėje, esantis 2° rytų ilgumos ir 49° šiaurės platumos. Tada vietą apibūdintų du skaičiai, o 1789 m. liepos 14 d. – laikas, kada įvyko įvykis. Fizikoje labai svarbu tiksliai nurodyti, kada ir kur įvyko įvykis, daug svarbesnis nei istorijoje, nes šie skaičiai sudaro kiekybinio aprašymo pagrindą.
Paprastumo sumetimais anksčiau laikėme tik judėjimą tiesia linija. Mūsų koordinačių sistema buvo tvirta strypas su pradžia, bet be pabaigos. Laikykimės šio apribojimo. Pažymėkite ant strypo įvairių taškų; kiekvieno iš jų padėtį galima apibūdinti tik vienu skaičiumi – taško koordinate. Kai sakome, kad taško koordinatė yra 7,586 m, tai reiškia, kad jo atstumas nuo strypo pradžios yra 7,586 m. Priešingai, jei kas nors duos kokį nors skaičių ir matavimo vienetą, visada galiu rasti tašką tą skaičių atitinkantį strypą. Matome, kad kiekvienas skaičius atitinka tam tikrą strypo tašką, o kiekvienas taškas – tam tikrą skaičių. Šį faktą matematikai išreiškia tokiu sakiniu:
Visi strypo taškai sudaro vienmatį kontinuumą.
Tada yra taškas, savavališkai arti nurodyto strypo taško. Galime sujungti du nutolusius strypo taškus keletu segmentų, išdėstytų vienas po kito, kurių kiekvienas yra savavališkai mažas. Taigi faktas, kad šiuos tolimus taškus jungiančius atkarpas galima paimti tiek, kiek norisi, yra kontinuumo charakteristika.
Paimkime kitą pavyzdį. Leiskite mums turėti plokštumą arba, jei norite konkretesnio, stačiakampio stalo paviršių (66 pav.). Taško padėtį šioje lentelėje galima apibūdinti dviem skaičiais, o ne vienu, kaip anksčiau. Du skaičiai yra atstumai nuo dviejų statmenų lentelės kraštų. Kiekvieną plokštumos tašką atitinka ne vienas skaičius, o skaičių pora; Kiekviena skaičių pora atitinka tam tikrą tašką. Kitaip tariant, plokštuma yra dvimatis kontinuumas. Tada yra taškai, savavališkai arti tam tikro plokštumos taško. Du nutolę taškai gali būti sujungti kreive, padalyta į tokias mažesnes, kiek pageidaujama, segmentus. Taigi, savavališkas segmentų, kurie paeiliui telpa ant kreivės, jungiančios du tolimus taškus, kurių kiekvieną galima apibrėžti dviem skaičiais, mažumas vėlgi yra dvimačio kontinuumo charakteristika.
|
Dar vienas pavyzdys. Įsivaizduokime, kad savo kambarį norite laikyti koordinačių sistema. Tai reiškia, kad norite nustatyti bet kokią kūno padėtį kambario sienų atžvilgiu. Šviestuvo centro padėtį, jei ji yra ramybės būsenoje, galima apibūdinti trimis skaičiais: du iš jų nustato atstumą nuo dviejų statmenų sienų, o trečiasis – atstumą nuo grindų ar lubų. Kiekvienas erdvės taškas atitinka tris konkrečius skaičius; kiekvienas trys skaičiai atitinka tam tikrą erdvės tašką (67 pav.). Tai išreiškiama sakiniu:
Mūsų erdvė yra trimatis kontinuumas.
Yra taškų, labai arti bet kurio tam tikro erdvės taško. Ir vėl, savavališkas linijų atkarpų, jungiančių tolimus taškus, kurių kiekvienas pavaizduotas trimis skaičiais, mažumas yra trimačio kontinuumo charakteristika.
Tačiau visa tai vargu ar taikoma fizikoje. Norėdami grįžti prie fizikos, turime atsižvelgti į medžiagų dalelių judėjimą. Norint ištirti ir numatyti reiškinius gamtoje, reikia atsižvelgti ne tik į fizinių įvykių vietą, bet ir į laiką. Dar kartą paimkime paprastą pavyzdį.
Iš bokšto nukrenta mažas akmenukas, kurį laikome dalele. Tarkime, kad bokšto aukštis yra 80 m. Nuo Galilėjaus laikų mes galėjome nuspėti akmens koordinates tam tikru momentu po jo griuvimo pradžios. Žemiau yra „grafikas“, kuris apytiksliai apibūdina akmens padėtį po 1, 2, 3 ir 4 sekundžių.
Mūsų „tvarkaraštyje“ yra penki įvykiai, kurių kiekvienas yra pavaizduotas dviem skaičiais – kiekvieno įvykio laiko ir erdvinės koordinatės. Pirmasis įvykis – akmens judėjimo pradžia iš 80 m aukščio nuo žemės nuliui lygiu laiku. Antrasis įvykis – akmens sutapimas su žyme ant strypo 75 m aukštyje nuo žemės. Tai bus pažymėta praėjus vienai sekundei. Paskutinis įvykis – akmens smūgis į žemę.
Tada nubrėžkite dvi statmenas linijas; vienas iš jų, tarkime, horizontalus, bus vadinamas laikina O ašis, o vertikalioji – erdvinė ašis. Iš karto matome, kad mūsų „grafiką“ galima pavaizduoti penkiais erdvės laiko taškais O osios plokštumos (69 pav.).
Taškų atstumai nuo erdvinės ašies yra laiko koordinatės, nurodytos pirmajame „grafiko“ stulpelyje, ir atstumai nuo laiko O ašys yra jų erdvinės koordinatės.
|
Tas pats ryšys išreiškiamas dviem būdais - naudojant „grafiką“ ir taškus plokštumoje. Vienas gali būti pastatytas iš kito. Pasirinkimas tarp šių dviejų vaizdų yra tik skonio reikalas, nes iš tikrųjų jie abu yra lygiaverčiai.
Dabar ženkime dar vieną žingsnį. Įsivaizduokime patobulintą „grafiką“, kuris suteikia pozicijas ne už kiekvieną sekundę, o, tarkime, už kiekvieną šimtąją ar tūkstantąją sekundės dalį. Tada savo erdvėlaikyje turėsime daug taškų O lėktuvas. Galiausiai, jei padėtis nurodoma kiekvienai akimirkai arba, kaip sako matematikai, jei erdvinė koordinatė nurodoma kaip laiko funkcija, tada taškų rinkinys tampa ištisine linija. Todėl kitas mūsų piešinys (70 pav.) pateikia ne fragmentinę informaciją, kaip anksčiau, o pilną akmens judėjimo vaizdą.
Judėjimas išilgai kieto strypo (bokšto), t. y. judėjimas vienmatėje erdvėje, čia vaizduojamas kaip dvimatės erdvės laiko kreivė O m kontinuumas. Kiekvienas mūsų erdvėlaikio taškas O m kontinuumas atitinka skaičių porą, iš kurių vienas žymi laiką adresu yu, o kita yra erdvinė koordinatė. Priešingai, tam tikras mūsų erdvėlaikio taškas O m kontinuumas atitinka tam tikrą skaičių porą, apibūdinančią įvykį. Du gretimi taškai reiškia du įvykius, įvykusius vietose, esančiose arti vienas kito ir kartais iškart vienas po kito.
Galite prieštarauti mūsų vaizdavimui tokiu būdu: nėra prasmės vaizduoti laiką kaip segmentus ir mechaniškai sujungti jį su erdve, formuojant dvimatį kontinuumą iš dviejų vienmačių kontinuumų. Bet tada jūs turėtumėte taip pat rimtai prieštarauti visoms diagramoms, vaizduojančioms, pavyzdžiui, temperatūros pokyčius Niujorke per praeitą vasarą, arba prieš grafikus, vaizduojančius pragyvenimo išlaidų pokyčius per pastaruosius kelerius metus, nes kiekvienu iš šių atvejų naudojamas tas pats metodas. Temperatūros grafikuose vienmatis temperatūros kontinuumas derinamas su vienmačiu laiku s m kontinuumą į dvimatę temperatūros ir laiko kontinuumą.
Grįžkime prie dalelės, krentančios iš 80 metrų bokšto. Mūsų grafinis judesio vaizdas yra naudingas susitarimas, nes jis leidžia mums apibūdinti dalelės padėtį bet kuriuo savavališku laiko momentu. Žinodami, kaip juda dalelė, norėtume dar kartą pavaizduoti jos judėjimą. Tai galima padaryti dviem būdais.
Prisiminkime dalelių, kurios laikui bėgant keičia savo padėtį vienmatėje erdvėje, vaizdą. Mes vaizduojame judesį kaip įvykių seriją vienmatiame erdviniame kontinuume. Naudodami nemaišome laiko ir erdvės dinamiškas paveikslėlį, kuriame pozicijos pakeisti su laiku.
Tačiau tą patį judesį galite pavaizduoti ir kitaip. Galime formuoti statinis vaizdą, žiūrėdami į kreivę dvimatėje erdvės laike O m kontinuumas. Dabar judėjimas laikomas kažkuo duotu, egzistuojančiu dvimatėje erdvėlaikyje O m kontinuumas, o ne kaip kažkas besikeičiančio vienmačio erdvinio kontinuumo.
Abu šie paveikslai yra absoliučiai lygiaverčiai, o teikti pirmenybę vienam iš jų yra tik susitarimo ir skonio reikalas.
Tai, kas čia pasakyta apie du judesio paveikslus, neturi nieko bendra su reliatyvumo teorija. Abi idėjos gali būti panaudotos vienodai teisingai, nors klasikinė teorija labiau teikė pirmenybę dinamiškam judėjimo, kaip kažko vykstančio erdvėje, paveikslui, o ne statiškam jo vaizdui erdvėje. Tačiau reliatyvumo teorija pakeitė šį požiūrį. Ji aiškiai teikė pirmenybę statiškam paveikslui ir tokiame judėjimo, kaip erdvėlaikyje egzistuojančio, vaizde rado patogesnį ir objektyvesnį tikrovės vaizdą. Vis dar turime atsakyti į klausimą, kodėl šios dvi nuotraukos yra lygiavertės klasikinės fizikos požiūriu, o ne lygiavertės reliatyvumo teorijos požiūriu. Atsakymas bus aiškus, jei dar kartą apsvarstysime dvi koordinačių sistemas, judančias tiesia linija ir vienodai viena kitos atžvilgiu.
Pagal klasikinę fiziką, abiejų sistemų stebėtojai, judantys tiesia linija ir vienodai vienas kito atžvilgiu, ras skirtingas erdvines koordinates tam pačiam įvykiui, bet tuo pačiu laiku. adresu koordinatė. Taigi, mūsų pavyzdyje akmens smūgis į žemę apibūdinamas mūsų pasirinkta koordinačių sistema O koordinatė 4 ir erdvinė koordinatė 0. Remiantis klasikine mechanika, stebėtojai, judantys tiesia linija ir tolygiai pasirinktos koordinačių sistemos atžvilgiu, pastebės, kad akmuo pasieks žemę praėjus keturioms sekundėms po to, kai pradės kristi. Bet kiekvienas stebėtojas susieja atstumą su savo koordinačių sistema ir, paprastai kalbant, jie susies skirtingas erdvines koordinates su smūgio įvykiu, nors ir laikinai. A i koordinatė bus vienoda visiems kitiems stebėtojams, judantiems tiesia linija ir tolygiai vienas kito atžvilgiu. Klasikinė fizika žino tik „absoliutų“ laiką, kuris visiems stebėtojams teka vienodai. Kiekvienai koordinačių sistemai dvimatis kontinuumas gali būti padalintas į du vienmačius kontinuumus – laiką ir erdvę. Dėl „absoliučios“ laiko prigimties perėjimas nuo „statinio“ prie „dinaminio“ judesio vaizdo klasikinėje fizikoje turi objektyvią reikšmę.
Bet mes jau matėme, kad klasikinės transformacijos negali būti taikomos fizikoje bendru atveju. Žvelgiant iš praktinės pusės, jie vis dar tinka mažiems greičiams, bet netinka esminiams fiziniams klausimams pagrįsti.
Remiantis reliatyvumo teorija, momentas, kai uola atsitrenks į žemę, nebus vienodas visiems stebėtojams. Ir laikina A i ir erdvinė koordinatė skirsis įvairios sistemos koordinates ir pokyčius laike O koordinatės bus labai pastebimos, jei santykinis sistemų greitis priartės prie šviesos greičio. Dvimatis kontinuumas negali būti padalintas į du vienmačius kontinuumus, kaip klasikinėje fizikoje. Nustatydami erdvėlaikį negalime atskirai svarstyti erdvės ir laiko s x koordinatės kitoje koordinačių sistemoje. Reliatyvumo teorijos požiūriu dvimačio kontinuumo padalijimas į du vienmačius pasirodo esąs savavališkas procesas, neturintis objektyvios prasmės.
Viską, ką ką tik pasakėme, galima lengvai apibendrinti judėjimo atveju, neapsiribojant tiesia linija. Tiesą sakant, norint apibūdinti įvykius gamtoje, reikia naudoti ne du, o keturis skaičius. Fizinė erdvė, suprantama per objektus ir jų judesius, turi tris matmenis, o objektų padėtis apibūdinama trimis skaičiais. Įvykio momentas – ketvirtas numeris. Kiekvienas įvykis atitinka keturis konkrečius skaičius; bet kurie keturi skaičiai atitinka tam tikrą įvykį. Todėl formuojasi įvykių pasaulis keturmatis kontinuumas.Čia nėra nieko mistiško, o paskutinis sakinys vienodai tinka klasikinei fizikai ir reliatyvumo teorijai. Vėlgi, skirtumas išryškėja tik tada, kai atsižvelgiama į dvi koordinačių sistemas, judančias viena kitos atžvilgiu. Leiskite kambariui judėti, o stebėtojai joje ir už jos ribų nustato erdvės laiką s e tų pačių įvykių koordinates. Klasikinės fizikos šalininkas suskaidys keturmatį kontinuumą į trimatę erdvę ir vienmatį laiką O kontinuumas. Senajam fizikui rūpi tik erdvės transformacija, nes laikas jam yra absoliutus. Keturmačio pasaulio kontinuumo skirstymas į erdvę ir laiką jam atrodo natūralus ir patogus. Tačiau reliatyvumo teorijos požiūriu laikas, kaip ir erdvė, keičiasi pereinant iš vienos koordinačių sistemos į kitą; šiuo atveju Lorenco transformacijos išreiškia keturmačio erdvėlaikio transformacines savybes O kontinuumas – mūsų keturmatis įvykių pasaulis.
Įvykių pasaulį galima dinamiškai apibūdinti naudojant paveikslą, kuris bėgant laikui kinta ir nubrėžiamas trimatės erdvės fone. Bet tai taip pat gali būti apibūdinta naudojant statinį vaizdą, nubraižytą keturių dimensijų erdvės-laiko fone. O kontinuumas. Klasikinės fizikos požiūriu abu paveikslai, dinaminiai ir statiniai, yra lygiaverčiai. Tačiau reliatyvumo teorijos požiūriu statiškas vaizdas yra patogesnis ir objektyvesnis.
Netgi reliatyvumo teorijoje mes vis tiek galime naudoti dinaminį vaizdą, jei norime. Tačiau reikia prisiminti, kad toks laiko ir erdvės padalijimas neturi objektyvios prasmės, nes laikas nebėra „absoliutus“. Toliau mes ir toliau naudosime „dinaminę“, o ne „statinę“ kalbą, tačiau visada atsižvelgsime į jos apribojimus.
Bendrasis reliatyvumas
Dar reikia išsiaiškinti vieną dalyką. Dar neišspręstas vienas esminių klausimų: ar egzistuoja inercinė sistema? Kai ką sužinojome apie gamtos dėsnius, jų nekintamumą pagal Lorenco transformacijas ir jų galiojimą visose inercinėse sistemose, judančiose tiesia linija ir vienodai viena kitos atžvilgiu. Mes turime įstatymus, bet nežinome, kam jie turėtų būti priskirti.
Norėdami sužinoti daugiau apie šiuos sunkumus, pasikalbėkime su fiziku, kuris yra klasikinės fizikos pozicijoje, ir užduokite jam keletą paprastų klausimų.
Kas yra inercinė sistema?
Tai koordinačių sistema, kurioje galioja mechanikos dėsniai. Kūnas, kurio neveikia išorinės jėgos, tokioje sistemoje juda tiesia linija ir tolygiai. Todėl ši savybė leidžia atskirti inercinę koordinačių sistemą nuo bet kurios kitos.
Bet ką reiškia, kad kūno neveikia jokios išorinės jėgos?
Tai tiesiog reiškia, kad kūnas juda tiesia linija ir tolygiai inercinėje koordinačių sistemoje.
Čia galite dar kartą užduoti klausimą: „Kas yra inercinė koordinačių sistema? Tačiau kadangi nėra daug vilčių gauti kitokį nei anksčiau pateiktą atsakymą, mes bandysime gauti konkrečios informacijos pakeisdami klausimą.
Ar sistema standžiai sujungta su Žeme yra inercinė?
Ne, nes mechanikos dėsniai Žemėje dėl jos sukimosi griežtai negalioja. Koordinačių sistema, standžiai susijusi su Saule, gali būti laikoma inercine daugeliui problemų sprendimui, tačiau kai kalbame apie Saulės sukimąsi, vėl darome išvadą, kad su ja standžiai susieta koordinačių sistema negali būti laikoma griežtai inercine.
Kokia tiksliai yra jūsų inercinė koordinačių sistema ir kaip pasirinkti jos judėjimo būseną?
Tai tik naudinga fikcija ir aš neįsivaizduoju, kaip tai įgyvendinti. Jei tik galėčiau atsiriboti nuo visų materialių kūnų ir išsivaduoti nuo visų išorinių poveikių, tada mano koordinačių sistema būtų inercinė.
Bet ką reiškia koordinačių sistema, laisva nuo visų išorinių poveikių?
Turiu omenyje, kad koordinačių sistema yra inercinė. Vėl grįžtame prie pradinio klausimo! Mūsų pokalbis atskleidžia rimtą klasikinės fizikos sunkumą. Mes turime dėsnius, bet nežinome, koks yra atskaitos objektas, kuriam jie turėtų būti priskirti, ir visa mūsų fizinė struktūra, pasirodo, pastatyta ant smėlio.
Tą patį sunkumą galime pažvelgti iš kitokio požiūrio. Pabandykime įsivaizduoti, kad visoje Visatoje yra tik vienas kūnas, kuris sudaro mūsų koordinačių sistemą. Šis kūnas pradeda suktis. Pagal klasikinę mechaniką, besisukančio kūno fizikiniai dėsniai skiriasi nuo nesisukančio kūno dėsnių. Jei vienu atveju galioja inercijos principas, tai kitu atveju jis negalioja. Bet visa tai skamba labai abejotinai. Ar leistina svarstyti tik vieno kūno judėjimą visoje Visatoje? Kūno judėjimas visada reiškia jo padėties pasikeitimą kito kūno atžvilgiu. Todėl kalbėti apie vieno kūno judėjimą reiškia prieštarauti sveikam protui. Klasikinė mechanika ir sveikas protas šiuo klausimu labai skiriasi. Niutono receptas yra toks: jei galioja inercijos principas, tai koordinačių sistema yra arba ramybės būsenoje, arba juda tiesia linija ir tolygiai. Jei inercijos principas netaikomas, tai kūnas nejuda tiesiškai ir tolygiai. Taigi mūsų išvada apie judėjimą ar poilsį priklauso nuo to, ar tam tikrai koordinačių sistemai galioja visi fizikiniai dėsniai, ar ne.
Paimkime du kūnus, pavyzdžiui, Saulę ir Žemę. Judėjimas, kurį matome, vėl yra giminaitis. Jį galima apibūdinti naudojant koordinačių sistemą, susietą su Žeme arba Saule. Šiuo požiūriu didelis Koperniko pasiekimas yra koordinačių sistemos perkėlimas iš Žemės į Saulę. Tačiau kadangi judėjimas yra santykinis ir gali būti naudojamas bet koks atskaitos kūnas, paaiškėja, kad nėra jokios priežasties teikti pirmenybę vienai koordinačių sistemai, o ne kitai.
Fizika vėl įsikiša ir pakeičia mūsų įprastą išmintį. Su Saule susijusi koordinačių sistema yra panašesnė į inercinę sistemą nei su Žeme. Fizinius dėsnius geriau taikyti Koperniko sistemoje nei Ptolemėjo sistemoje. Koperniko atradimo didybę galima vertinti tik fiziniu požiūriu. Fizika rodo, kad planetų judėjimui apibūdinti koordinačių sistema, standžiai sujungta su Saule, turi didžiulių pranašumų.
Klasikinėje fizikoje nėra absoliutaus tiesinio ir vienodo judėjimo. Jei dvi koordinačių sistemos juda tiesia linija ir tolygiai viena kitos atžvilgiu, nėra jokios priežasties sakyti: „Ši sistema yra ramybės būsenoje, o kita juda“. Bet jei abi koordinačių sistemos juda netiesiai ir netolygiai viena kitos atžvilgiu, tai yra pagrindo sakyti: „Šis kūnas juda, o kitas yra ramybės būsenoje (arba juda tiesia linija ir tolygiai). Absoliutus judėjimas čia turi labai apibrėžtą prasmę. Šiuo metu yra didelė praraja tarp sveiko proto ir klasikinės fizikos. Minėti sunkumai, susiję su inercine sistema, taip pat su absoliučiu judėjimu, yra glaudžiai susiję vienas su kitu. Absoliutus judėjimas tampa įmanomas tik dėka inercinės sistemos, kuriai galioja gamtos dėsniai, idėjos.
Gali atrodyti, kad iš šių sunkumų nėra išeities, jokia fizinė teorija negali jų išvengti. Jų šaltinis slypi tame, kad gamtos dėsniai galioja tik ypatingai koordinačių sistemų klasei, būtent inercinėms. Galimybė išspręsti šiuos sunkumus priklauso nuo atsakymo į toliau pateiktą klausimą. Ar galime suformuluoti fizikinius dėsnius taip, kad jie galiotų visoms koordinačių sistemoms, ne tik sistemoms, judančioms tiesiai ir tolygiai, bet ir visiškai savavališkai judančioms viena kitos atžvilgiu? Jei tai pavyks padaryti, mūsų sunkumai bus išspręsti. Tada gamtos dėsnius galėsime taikyti bet kurioje koordinačių sistemoje. Kova tarp Ptolemėjo ir Koperniko pažiūrų, tokia nuožmi mokslo pradžioje, taptų visiškai beprasmė. Bet kuri koordinačių sistema gali būti naudojama vienodai. Du sakiniai – „Saulė ilsisi, o Žemė juda“ ir „Saulė juda, o Žemė ilsisi“ – tiesiog reikštų du skirtingus susitarimus apie dvi skirtingas koordinačių sistemas.
Ar galėtume sukurti tikrą reliatyvistinę fiziką, galiojančią visose koordinačių sistemose, kurioje vyktų ne absoliutus, o tik santykinis judėjimas? Tai iš tikrųjų pasirodo įmanoma!
Turime bent vieną, nors ir labai silpną, nurodymą, kaip sukurti naują fiziką. Iš tiesų, reliatyvistinė fizika turi būti taikoma visose koordinačių sistemose, taigi, ypatingu atveju - inercinėje sistemoje. Mes jau žinome šios inercinės koordinačių sistemos dėsnius. Nauja bendrieji dėsniai, galiojantis visoms koordinačių sistemoms, specialiu inercinės sistemos atveju turi būti redukuotas į senus, žinomus dėsnius.
Fizinių dėsnių formulavimo bet kuriai koordinačių sistemai problema buvo išspręsta vadinamuoju bendrasis reliatyvumas; vadinama ankstesnė teorija, kuri taikoma tik inerciniams rėmams specialioji reliatyvumo teorija.Šios dvi teorijos, žinoma, negali prieštarauti viena kitai, nes visada turime įtraukti anksčiau nustatytus dėsnius specialioji teorija reliatyvumą į bendruosius neinercinės sistemos dėsnius. Bet jei anksčiau inercinė koordinačių sistema buvo vienintelė, kuriai buvo suformuluoti fizikiniai dėsniai, dabar tai bus ypatingas ribinis atvejis, nes leistinos bet kokios koordinačių sistemos, savavališkai judančios viena kitos atžvilgiu.
Tai yra bendrosios reliatyvumo teorijos programa. Tačiau apibūdindami, kaip jis buvo sukurtas, turime būti dar mažiau konkretūs, nei buvome iki šiol. Mokslo raidos procese kylantys nauji sunkumai verčia mūsų teoriją vis labiau abstraktėti. Mūsų laukia nemažai staigmenų. Tačiau mūsų nuolatinis galutinis tikslas yra vis geresnis tikrovės supratimas. Į loginę teoriją ir stebėjimą jungiančią grandį pridedamos naujos grandys. Norėdami išvalyti kelią, vedantį nuo teorijos iki eksperimento, nuo nereikalingų ir dirbtinių prielaidų, kad apimtume vis didesnį faktų plotą, grandinę turime padaryti vis ilgesnę. Kuo paprastesnės ir fundamentalesnės tampa mūsų prielaidos, tuo sudėtingesnis yra mūsų samprotavimo matematinis įrankis; kelias nuo teorijos iki stebėjimo tampa ilgesnis, plonesnis ir sudėtingesnis. Nors skamba paradoksaliai, galime pasakyti: šiuolaikinė fizika yra paprastesnė už senąją, todėl atrodo sunkesnė ir painesnė. Kuo paprastesnis mūsų išorinio pasaulio vaizdas ir tuo daugiau daugiau faktų ji apima, tuo stipriau atspindi Visatos harmoniją mūsų mintyse.
Mūsų nauja idėja yra paprasta: sukurti fiziką, kuri galioja visoms koordinačių sistemoms. Šios idėjos įgyvendinimas įveda formalų sudėtingumą ir verčia mus naudoti matematinius metodus, kurie skiriasi nuo tų, kurie iki šiol buvo naudojami fizikoje. Čia parodysime tik ryšį tarp šios programos įgyvendinimo ir dviejų esminių problemų – gravitacijos ir geometrijos.
Tęstinumas – nenutrūkstamas
Prieš mus yra Niujorko miesto ir jo apylinkių žemėlapis. Klausiame: kokius šio žemėlapio taškus galima pasiekti traukiniu? Peržiūrėję šiuos taškus geležinkelio tvarkaraštyje, pažymime juos žemėlapyje. Tada keičiame klausimą ir klausiame: kokius taškus gali pasiekti automobilis? Jei žemėlapyje nubrėžtume linijas, vaizduojančias visus kelius, prasidedančius Niujorke, tai bet kurį tašką, esantį šiuose keliuose, praktiškai galima pasiekti automobiliu. Abiem atvejais turime keletą taškų. Pirmuoju atveju jie yra nutolę vienas nuo kito ir reprezentuoja skirtingas geležinkelio stotis, o antruoju – taškai palei greitkelius. Kitas mūsų klausimas yra apie atstumą iki kiekvieno iš šių taškų nuo Niujorko arba, siekiant didesnio tikslumo, nuo konkrečios šio miesto vietos. Pirmuoju atveju tam tikri skaičiai atitinka žemėlapio taškus. Šie skaičiai kinta nereguliariai, bet visada ribotu kiekiu, staigiai. Sakome: atstumai nuo Niujorko iki vietų, kurias galima pasiekti traukiniu, tik keičiasi su pertraukomis. Tačiau atstumai iki vietų, kurias galima pasiekti automobiliu, gali skirtis tiek, kiek pageidaujama, jie gali skirtis nuolat. Keliaujant automobiliu, o ne traukiniu, atstumų pokyčiai gali būti savavališkai maži.
Anglies kasyklų našumas gali būti nuolat keičiamas. Pagamintos anglies kiekis gali būti padidintas arba sumažintas savavališkai mažomis porcijomis. Tačiau dirbančių angliakasių skaičius gali būti keičiamas tik su pertraukomis. Būtų gryna nesąmonė sakyti: „Nuo vakar dirbančiųjų skaičius išaugo 3783“.
Asmuo, kurio paklausė apie pinigų sumą kišenėje, negali įvardyti jokios sumos, kad ir kokia maža, o tik vertę, susidedančią tik iš dviejų skaičių po kablelio. Pinigų suma gali keistis tik šuoliais. Amerikoje mažiausias įmanomas pokytis, arba, kaip pavadinsime, „elementarus amerikietiškų pinigų kvantas“ yra vienas centas. Elementarus anglų pinigų kvantas yra vienas faršas, vertas tik pusės amerikietiško elementaraus kvanto. Pateikiame dviejų elementarių kvantų, kurių dydį galima palyginti vienas su kitu, pavyzdį. Jų verčių santykis turi tam tikrą reikšmę, nes vieno iš jų kaina yra dvigubai didesnė už kito kainą.
Galime pasakyti: vieni kiekiai gali keistis nuolat, o kiti gali keistis tik nepertraukiamai, porcijomis, kurių negalima toliau mažinti. Šios nedalomos dalys vadinamos elementarieji kvantaišiuos kiekius.
Galime sverti didžiulius smėlio kiekius ir laikyti jo masę vientisa, nors jo granuliuota struktūra yra akivaizdi. Bet jei smėlis taptų labai brangus, o naudojamos svarstyklės būtų labai jautrios, turėtume pripažinti, kad smėlio masė visada skiriasi vienos mažiausios dalelės masės kartotiniu. Šios mažiausios dalelės masė būtų mūsų elementarusis kvantas. Iš šio pavyzdžio matome, kaip iki tol nepertraukiamu laikyto kiekio nenutrūkstamas pobūdis atsiskleidžia padidinus mūsų matavimų tikslumą.
Jei vienu sakiniu turėtume apibūdinti pagrindines kvantinės teorijos idėjas, galėtume pasakyti: reikėtų manyti, kad kai kurie fiziniai dydžiai, anksčiau laikytas tęstiniu, susideda iš elementarių kvantų.
Kvantinės teorijos apimamų faktų sritis yra labai didelė. Šie faktai buvo atrasti dėl aukšto šiuolaikinių eksperimentinių technologijų išsivystymo. Kadangi negalime nei parodyti, nei aprašyti net pagrindinių eksperimentų, dažnai jų rezultatus teks pateikti dogmatiškai. Mūsų tikslas – paaiškinti tik esmines, pagrindines idėjas.
Elementarieji medžiagos ir elektros kvantai
Pagal kinetinę teoriją nubrėžtame medžiagos struktūros paveiksle visi elementai yra sukurti iš molekulių. Paimkime paprasčiausias pavyzdys lengviausias cheminis elementas- vandenilis. Matėme, kaip Brauno judėjimo tyrimas leido nustatyti vandenilio molekulės masę. Tai lygu
0.000 000 000 000 000 000 000 003 3 g.
Tai reiškia, kad masė yra nepertraukiama. Bet kurios vandenilio dalies masė gali pasikeisti tik sveiku skaičiumi mažiausių dalių, kurių kiekviena atitinka vienos vandenilio molekulės masę. Tačiau cheminiai procesai parodė, kad vandenilio molekulę galima suskaidyti į dvi dalis arba, kitaip tariant, kad vandenilio molekulė susideda iš dviejų atomų. Cheminiame procese elementaraus kvanto vaidmenį atlieka atomas, o ne molekulė. Padalinę minėtą skaičių iš dviejų, randame vandenilio atomo masę; tai apytiksliai
0.000 000 000 000 000 000 000 001 7 g.
Masė yra nenutrūkstamas dydis. Bet, žinoma, mes neturime dėl to jaudintis matuodami kūno svorį. Net jautriausios svarstyklės toli gražu nepasiekia tokio tikslumo, kuris aptiktų nepertraukiamus kūno svorio pokyčius.
Bangų teorijos terminija
Vienoda šviesa turi tam tikrą bangos ilgį. Raudonojo spektro galo bangos ilgis yra du kartus didesnis už violetinio galo bangos ilgį.
Kvantinės teorijos terminija
Homogeninė šviesa susideda iš tam tikros energijos fotonų. Fotono energija raudonam spektro galui yra pusė fotono energijos violetiniame gale.
Literatūra
Mala Girnicha enciklopedija. 3 tomuose / Red. V. S. Biletskis. - Doneckas: „Donbasas“, 2004 m. ISBN 966-7804-14-3.
http://znaimo.com.ua
Kasatkin A. S. Elektros inžinerijos pagrindai. M: Viščos mokykla, 1986 m.
Bezsonovas L. A. Elektros inžinerijos teoriniai pagrindai. Elektrinis kuolas. M: Viščos mokykla, 1978 m.
slovari.yandex.ru/dict/bse/article/00061/97100.htm
Sivukhin D.V. Išplėstinis fizikos kursas – M. T. III. Elektrikas
Fizikos evoliucija. Idėjų plėtra nuo pradinių sąvokų iki reliatyvumo ir kvantinės teorijos
Albertas Einšteinas, Leopoldas Infeldas ( juosta iš anglų kalbos S. G. Suvorova)
Šviesos trukdžių ir difrakcijos reiškiniai patvirtina jos banginį pobūdį. XIX amžiaus pradžioje T. Jungas ir O. Fresnelis, sukūrę šviesos bangų teoriją, šviesos bangas laikė išilginėmis, t.y. panašus garso bangos. Norėdami tai padaryti, jie turėjo įvesti tam tikrą hipotetinę aplinką, vadinamą eteris, kuriame sklinda išilginės šviesos bangos. Tuo metu atrodė neįtikėtina, kad šviesa yra skersinės bangos, nes pagal analogiją su mechaninėmis bangomis reikėtų manyti, kad eteris yra kietas(skersinės mechaninės bangos negali sklisti dujinėje ar skystoje terpėje). Tačiau jau tuo metu buvo faktų, prieštaraujančių šviesos bangų išilgumui.
Dar viduramžiais jūreiviai iš Islandijos atsigabeno neįprastus skaidrius akmenis, kurie vėliau buvo vadinami Islandijos sparnas. Jų neįprasta ypatybė buvo ta, kad jei ant bet kurio užrašo būtų uždėtas Islandijos špato gabalas, tada per jį užrašas būtų matomas kaip šakotas.
1669 m. danų mokslininkas Bartholinas pranešė apie įdomius savo eksperimentų su Islandijos sparno kristalais rezultatus. Praeinant pro tokį kristalą, spindulys skyla į dvi dalis (2.6.1 pav.). Šie spinduliai yra pavadinti įprasta sija Ir nepaprastas spindulys ir pats reiškinys - dvigubas lūžis.
Įprastas spindulys paklūsta įprastam lūžio dėsniui, o nepaprastasis – nepaklūsta šiam dėsniui. Spinduliai išsišakodavo net tada, kai įprastai krisdavo ant Islandijos sparno kristalo. Jei kristalas pasukamas pirminio spindulio krypties atžvilgiu, tai abu spinduliai, praėję per kristalą, yra sukami. Bartolinas taip pat atrado, kad kristale yra tam tikra kryptis, pagal kurią krintantis spindulys nesiskiria. Tačiau jis negalėjo paaiškinti šių reiškinių.
Po kelerių metų šis Bartholin atradimas patraukė Huygenso dėmesį, kuris pristatė šią koncepciją kristalų optinė ašis(Bartolinas iš tikrųjų tai atrado).
Optinė kristalo ašis yra pasirinkta kristalo kryptis, kuria nesiskiriant sklinda įprasti ir nepaprasti spinduliai.
1809 metais prancūzų inžinierius E. Malusas atliko eksperimentą su turmalino kristalais (skaidriais žalsvais kristalais). Šiame eksperimente šviesa iš eilės buvo praleidžiama per dvi identiškas turmalino plokštes. Jei antroji plokštė pasukama pirmosios atžvilgiu, šviesos, praeinančios per antrąją plokštę, intensyvumas pasikeičia nuo maksimali vertė iki nulio (2.6.2 pav.). Šviesos intensyvumo priklausomybė aš iš kampo j tarp abiejų plokščių optinių ašių turi tokią formą:
(Maluso dėsnis ), (2.6.1)
Kur aš 0 – krintančios šviesos intensyvumas.
Ryžiai. 2.6.3 A. Ryžiai. 2.6.3 b.
Nei dvigubo lūžio, nei Maluso dėsnio negalima paaiškinti išilginių šviesos bangų teorijos rėmuose. Išilginėms bangoms pluošto sklidimo kryptis yra simetrijos ašis. Išilginėje bangoje visos kryptys plokštumoje, statmenoje pluoštui, yra lygios.
Norėdami suprasti, kaip elgiasi skersinė banga, apsvarstykite bangą, sklindančią išilgai virvelės vertikalioje plokštumoje. Jei šios bangos kelyje įdėsite dėžę su vertikaliu plyšiu (2.6.3 pav.). A), tada banga laisvai praeina pro plyšį. Jei dėžutės tarpas yra horizontaliai, tai banga per ją nebepraeina (2.6.3 pav. b). Ši banga taip pat vadinama plokštuminės poliarizacijos, nes virpesiai jame atsiranda vienoje (vertikalioje) plokštumoje.
Eksperimentai su Islandijos špatais ir turmalino kristalais leido įrodyti, kad šviesos banga yra skersinė. Pirmasis spėjimas apie šviesos bangų skersiškumą padarė T. Jungas (1816). Fresnelis, nepriklausomai nuo Youngo, taip pat iškėlė skersinių šviesos bangų koncepciją, pagrindė ją daugybe eksperimentų ir sukūrė dvigubo šviesos lūžio kristaluose teoriją.
XIX amžiaus 60-ųjų viduryje Maxwellas padarė išvadą, kad šviesa yra elektromagnetinė banga. Tokia išvada padaryta remiantis sklidimo greičio sutapimu elektromagnetines bangas, kuris gaunamas iš Maksvelo teorijos, su žinoma vertėšviesos greitis. Iki to laiko, kai Maksvelas padarė išvadą apie elektromagnetinių bangų egzistavimą, skersinis šviesos bangų pobūdis jau buvo eksperimentiškai įrodytas. Todėl Maxwellas manė, kad elektromagnetinių bangų skersiškumas yra dar vienas svarbus šviesos elektromagnetinio pobūdžio įrodymas.
IN elektromagnetinė teorijaŠviesa taip pat pašalino sunkumus, susijusius su būtinybe įvesti specialią bangų sklidimo terpę – eterį, kuris turėjo būti laikomas kietu kūnu.
Elektromagnetinėje bangoje vektoriai ir yra statmeni vienas kitam ir yra plokštumoje, statmenoje bangos sklidimo krypčiai. Įprasta vadinti plokštumą, kurioje vektorius svyruoja svyravimų plokštuma, ir plokštuma, kurioje vektorius svyruoja, poliarizacijos plokštuma. Kadangi visuose šviesos sąveikos su medžiaga procesuose pagrindinį vaidmenį atlieka elektrinio lauko stiprumo vektorius, jis vadinamas šviesos vektorius. Jeigu elektromagnetinei bangai sklindant šviesos vektorius išlaiko savo orientaciją, tokia banga vadinama tiesiškai poliarizuotas arba plokštuminės poliarizacijos.
Tiesiškai poliarizuotą šviesą skleidžia lazeriai. Tačiau šviesa, kurią skleidžia įprasti šaltiniai (pvz. saulės šviesa, kaitinamųjų lempų spinduliuotė ir kt.), nepoliarizuota. Taip yra dėl to, kad atomai skleidžia šviesą atskirais traukiniais nepriklausomai vienas nuo kito. Dėl to vektorius susidariusioje šviesos bangoje atsitiktinai keičia savo orientaciją laike, todėl vidutiniškai visos virpesių kryptys yra vienodos.
Vadinama šviesos banga, kurioje šviesos vektoriaus virpesių kryptys laike kinta chaotiškai natūralus arba nepoliarizuota šviesa.
Natūrali šviesa, praeinanti per Islandijos špato arba turmalino kristalą, tampa poliarizuota. Šviesos dvigubo lūžio reiškinys paaiškinamas tuo, kad daugelyje kristalinės medžiagos Dviejų viena kitai statmenai poliarizuotų bangų lūžio rodikliai yra skirtingi. Todl kristalas bifurkuoja pro j einančius spindulius (2.6.1 pav.). Du pluoštai kristalo išėjime yra tiesiškai poliarizuoti viena kitai statmenomis kryptimis. Kristalai, kuriuose vyksta dvigubas lūžis, vadinami anizotropinis.
Šviesa gali poliarizuotis, kai atsispindi arba yra išsklaidyta. Visų pirma, mėlyna dangaus šviesa yra iš dalies arba visiškai poliarizuota. Atsispindėjusios šviesos poliarizaciją pirmą kartą pastebėjo Malusas, kai pro Islandijos sparno kristalą pažvelgė į besileidžiančios saulės atspindį Liuksemburgo rūmų Paryžiuje languose. Malusas nustatė, kad atspindėta šviesa yra vienokiu ar kitokiu poliarizuota. Atsispindėjusio pluošto poliarizacijos laipsnis priklauso nuo kritimo kampo: esant normaliam kritimui, atsispindėjusi šviesa yra visiškai nepoliarizuota, tačiau krentant kampu, vadinamu visiškos poliarizacijos kampu arba Brewsterio kampu, atspindėtas spindulys yra 100% poliarizuotas. Atsispindint Brewsterio kampu, atsispindėję ir lūžę spinduliai yra statmeni vienas kitam (2.5.4 pav.). Atsispindėjęs spindulys yra plokštumoje poliarizuotas lygiagrečiai paviršiui.
Nes , ir , tada pagal formulę randamas Brewsterio kampas.
Poliarizuota šviesa plačiai naudojama daugelyje technologijų sričių (pavyzdžiui, sklandžiai reguliuoti šviesą, tiriant elastingus įtempius ir pan.). Žmogaus akis neskiria šviesos poliarizacijos, tačiau kai kurių vabzdžių, pavyzdžiui, bičių, akys ją suvokia.
| | | | | | 7 |
Nižnij Novgorodo srities švietimo ministerija
GBOU SPO "Lukoyanovskio žemės ūkio kolegija"
Metodinis tobulinimas Autorius akademinė disciplina"Fizika"
Šviesos bangų skersiškumas.
Šviesos poliarizacija
Kūrėjas: Smirnov A.V. fizikos mokytojas
1 kvalifikacinė kategorija
Lukojanovas, 2012 m
Svarstyta posėdyje
metodinė komisija
matematikos ir gamtos mokslų ciklas
_____ protokolas Nr.
„__“ ________ 2012 m
Pirmininkas
__________/ N.N. Aleksandrova
Patvirtinta GBOU SPO "Lukojanovskio žemės ūkio kolegijos" metodinės tarybos
protokolas Nr. ______
„__“ ________ 2012 m
Pirmininkas
____________________________
Pamoka tema „Šviesos bangų skersiškumas. Šviesos poliarizacija“.
Tikslai:
Švietimas:
sudaryti sąlygas studijuoti „Šviesos poliarizacijos“ sampratą, jos pritaikymą praktikoje, siekti sąmoningo įgytų žinių įsisavinimo, išmokyti įgytas žinias panaudoti praktikoje.
ir toliau ugdyti tikslumą, taupumą ir atsakingumą;
kelti susidomėjimą mokymosi veikla;
kelti susidomėjimą tiriama medžiaga.
ugdyti mąstymo ir ugdymosi įgūdžius;
tęsti darbą ugdant įgūdžius atpažinti problemą, daryti išvadas ir apibendrinti.
Pamokos tipas: kombinuotas.
Įranga:
laboratorinė įranga kiekvienam stalui: 2 polaroidai, gabalėlis celofano; stiklo plokščių krūva.
demonstracinė įranga:šviesos poliarizacijos rinkinys, nešiojamas kompiuteris, nešiojamojo kompiuterio monitorius, projektorius, interaktyvi lenta, srovės šaltinis, žemos įtampos lempa ant stovo.
Per užsiėmimus
I) Organizacinis momentas(2 minutės.)
Pamokos lankomumo, klasės ir mokinių pasirengimo pamokai tikrinimas.
II) Patikrinimas namų darbai, atnaujinant anksčiau ištirtą
(10 min.)
Testinės užduotys lentoje, savikontrolė pagal atsakymus lentoje, analizė atliekant atrankinius klausimus, užpildyti spragas.
Paaiškinkite fiziniu požiūriu, kodėl žolė žalia.
Paaiškinkite fiziniu požiūriu, kuo balti paviršiai skiriasi nuo juodų.
Kurios spalvos šviesą labiausiai laužo stiklinė trikampė prizmė?
Koks reiškinys paaiškina muilo burbulų vaivorykštės spalvą?
Šaltiniai, kurių fazė ir dažnis yra vienodi, vadinami koherentiniais.
Ar dvi žvaigždės danguje gali būti nuoseklūs šviesos šaltiniai? Kodėl?
Kaip vadinamos vibracijos, kurios laikui bėgant sklinda erdvėje?
Kokia banga vadinama išilgine?
Kokia banga vadinama skersine?
Kaip išdėstyti vektoriai? E Ir IN elektromagnetinėje bangoje?
Ar elektromagnetinė banga yra išilginė ar skersinė?
III) Naujos medžiagos mokymasis(15 minučių.)
Probleminis eksperimentas
Mokiniams suteikiama įranga, o eksperimento užduotis rodoma lentoje:
1) Pažiūrėkite į lempą, prijungtą prie šaltinio per Polaroid;
2) pasukite Polaroid aplink savo ašį ir stebėkite ekrano apšvietimą. Padarykite išvadą;
3) tarp polaroido ir ekrano uždėkite kitą polaroidą ir pirmiausia pasukite vieną, tada kitą poliaroidą aplink ašį.
4) Stebėkite, kaip keičiasi ekrano apšvietimas. Padarykite išvadą.
Euristinis pokalbis
Pirmas spėjimas:Šviesa yra skersinė banga. Bet bangų pluošte, krintančiame iš įprastinio šaltinio, yra svyravimų visose įmanomose plokštumose, statmenose bangų sklidimo krypčiai;
Antras spėjimas: Polaroid turi galimybę perduoti šviesos bangas su vibracijomis, esančiomis vienoje konkrečioje plokštumoje.
Mokytojo žodis
Teorinė informacija
Turmalino kristalas poliarizuoja natūralią šviesą, t.y. parenka (praleidžia) virpesius tik vienoje konkrečioje plokštumoje. Naudodami antrąjį polaroidą (analizatorių), galite nustatyti pirmojo polaroido poliarizacijos plokštumą.
Probleminis eksperimentas
Eksperimento užduotis rodoma lentoje:
1. Paimkite polaroidą į rankas ir, apsukdami jį aplink savo ašį, pažiūrėkite per jį:
nešiojamojo kompiuterio ekranas;
vaizdas interaktyvioje lentoje;
kaitinamoji lempa.
Euristinis pokalbis
Mokinių prašoma paaiškinti eksperimentų rezultatus.
Nešiojamojo kompiuterio ekrano šviesa yra poliarizuota;
Vaizdas interaktyviojoje lentoje yra poliarizuotas, skirtingo bangos ilgio šviesos poliarizacijos ašys nesutampa.
Kaitinamosios lempos šviesa nėra poliarizuota.
Mokytojo žodis
Teorinė informacija
LCD monitoriaus paaiškinimas.
Probleminis eksperimentas:
Televizijos ir radijo ryšys vykdomas naudojant elektromagnetines bangas.
Prisiminkime vieną iš elektromagnetinių bangų savybių ir pabandykime ją paaiškinti iš šiandienos pamokoje įgytų žinių perspektyvos.
Patirties apie elektromagnetinių bangų poliarizaciją demonstravimas (mokomasis filmas).
Mokytojo žodis
Eksperimento paaiškinimas: jei gardelės metalinių strypų kryptis sutampa su elektrinio lauko stiprumo vektoriaus kryptimi, tai strypuose sužadinamos srovės, gardelė atlieka laidininko vaidmenį ir atspindi elektromagnetinę bangą. Jei grotelės pasukamos 90°, signalas praeina, nes tokiu atveju strypai yra statmeni elektrinio lauko vektoriui ir tai negali sukelti strypų srovių atsiradimo.
Probleminis eksperimentas:
Tarp 90° kampu sukryžiuotų polaroidų įdėkime suglamžytą celofano gabalėlį, po vieną apsuksime polaroidus aplink ašį ir stebėkime efektą;
Tarp 90° kampu sukryžiuotų polaroidų pastatykime specialią skaidrę iš šviesos poliarizacijos rinkinio, kad galėtume stebėti chromatinę poliarizaciją, sukti polaroidus aplink ašį ir stebėti efektą ekrane.
Stebėkime stiklo plokščių krūvą per polaroidą, sukdami jas aplink vertikalią ašį tam tikru kampu ir sukdami polaroidą.
Mokytojo žodis
C 
elofanas: Celofanas turi stiprią anizotropiją. Ši pakavimo medžiaga pagaminta iš viskozės – medienos gaminio. Gamybos metu celofano plėvelė labai ištempiama, grandinėmis išrikiuoja ilgas organines molekules. Polaroidiniai akiniai: akiniai su vienu ar dviem polaroidiniais sluoksniais. Akiniai su dviem sluoksniais polaroid naudojami kaip kintamo tankio tamsinimo filtrai: iš akinių šono išsikiša svirtis, su kuria vienu metu galima pasukti du polaroidus kitų dviejų nejudančių atžvilgiu. Su lygiagrečiais polaroidais akinių pralaidumas = 40%, su sukryžiuotais tampa minimalus (= 0,01%).
Akiniai su vienu polaroidiniu sluoksniu naudojami vaizdams atskirti arba atspindėtos šviesos akinimui sumažinti. Pirmuoju atveju abiejų filtrų poliarizacijos plokštumos nustatomos viena kitai statmenos taip, kad šviesa tik iš vienos poliarizacijos plokštumos pasiektų kiekvieną akį. Tokie akiniai buvo naudojami stereo kino sistemoje, kurioje į ekraną poliarizuotoje šviesoje buvo siunčiami du stereo poros kadrai: kiekvieno kadro poliarizacijos plokštuma atitiko polaroido poliarizacijos plokštumą, per kurią šviesa turėjo pereiti į atitinkamą. akis. Antruoju atveju polaroidiniai filtrai turi tas pačias poliarizacijos plokštumų kryptis ir neperduoda statmenoje plokštumoje poliarizuotos šviesos. Šviesa, atsispindėjusi kampu nuo dielektrinės terpės, yra labai poliarizuota. Akiniai leidžia labai susilpninti šią atspindėtą šviesą, todėl galima, pavyzdžiui, žiūrėti giliai į vandenį.
Poliarizacijos sistemos. Taikant linijinę poliarizaciją, du vaizdai ant to paties ekrano uždedami per stačiakampius (90 laipsnių vienas kito atžvilgiu) poliarizuojančius filtrus projektoriuose. Tokiu atveju būtina naudoti specialų pasidabruotą ekraną, kuris išvengia depoliarizacijos ir kompensuoja ryškumo praradimą (nes į ekraną patenka tik 0,71 kiekvieno projektoriaus skleidžiamos šviesos.
Žiūrovas užsideda akinius, kuriuose taip pat yra įmontuoti stačiakampiai poliarizuojantys filtrai; taigi kiekvienas filtras praleidžia tik tą šviesos bangų dalį, kurios poliarizacija atitinka filtro poliarizaciją, ir blokuoja ortogonaliai poliarizuotą šviesą.
Tiesiai poliarizuoti akiniai reikalauja, kad žiūrovas galvos nepalenktų, kitaip efektas prarandamas.
Technologijos, kurioje naudojama linijinė poliarizacija, pavyzdys yra IMAX 3D.
Naudojant žiedinę poliarizaciją, du vaizdai taip pat uždedami vienas ant kito per filtrus su priešinga poliarizacija. Žiūrovui skirti akiniai turi įmontuotus „analizuojančius“ filtrus (su priešinga poliarizacija). Skirtingai nuo linijinės poliarizacijos, jei žiūrovas pakreipia galvą, išsaugomas kairiojo ir dešiniojo vaizdo atskyrimas ir atitinkamai išsaugoma stereo vaizdo iliuzija.
P 
poliarizacijos foto filtrai.Šių filtrų veikimas pagrįstas elektromagnetinių bangų poliarizacijos poveikiu, taip pat tam tikrų medžiagų poliarizacijos plokštumos sukimosi poveikiu.
Šviesai jautri medžiaga fotografijoje neišsaugo informacijos apie ant jos krentančių elektromagnetinės spinduliuotės bangų poliarizacijos plokštumą.
Linijinės poliarizacijos filtras. Yra vienas poliarizatorius, kuris sukasi rėmelyje. Jo taikymas pagrįstas tuo, kad dalis mus supančio pasaulio šviesos yra poliarizuota. Visi nestatmenai krentantys ir nuo dielektrinių paviršių atsispindintys spinduliai yra iš dalies poliarizuoti. Iš dangaus ir debesų sklindanti šviesa iš dalies poliarizuota. Todėl fotografuodamas naudodamas poliarizatorių, fotografas gauna papildomą galimybę keisti ryškumą ir kontrastą įvairios dalys Vaizdai. Pavyzdžiui, fotografuojant kraštovaizdį saulėtą dieną naudojant tokį filtrą, dangus gali būti tamsus, giliai mėlynas. Fotografuojant objektus už stiklo, poliarizatorius leidžia atsikratyti fotografo atspindžio stikle.
Fotografavimui prasto apšvietimo sąlygomis gaminamas Low Light polarizatorius, kuris iš dalies poliarizuoja šviesą ir todėl turi mažą padidinimą. Pridėjus du tokius filtrus statmenai jų poliarizacijos plokštumoms, užuot visiškai užgesinus šviesos srautą, gaunama 2/3 srauto.
Apvalus poliarizacinis filtras. Be poliarizatoriaus, jame yra vadinamoji „ketvirtinės bangos plokštė“, kurios išėjime tiesiškai poliarizuota šviesa tampa apskrito poliarizacija. Nuotraukoje gauto efekto požiūriu apskritas poliarizatorius nesiskiria nuo linijinio. Tokių filtrų atsiradimą padiktavo TTL kameros automatikos elementų sukūrimas, kuris, skirtingai nuo fotografinės medžiagos, pasirodė priklausomas nuo to, ar ant jų pro objektyvą krintanti šviesa buvo poliarizuota. Visų pirma, tiesiškai poliarizuota šviesa iš dalies sutrikdo automatinį fazinį fokusavimą SLR fotoaparatuose ir apsunkina ekspozicijos matavimą.
Sudėtiniai ND filtrai. Jei sudėsite du poliarizatorius, tada, kai poliarizacijos plokštumos sutampa, toks filtras turi maksimalų šviesos pralaidumą (ir atitinka 2x neutralų pilką filtrą). Su statmenomis poliarizacijos kryptimis ir idealiais poliarizatoriais filtras visiškai sugeria ant jo patenkančią spalvą. Pasirinkę sukimosi kampą, galite pakeisti tokio filtro šviesos pralaidumą labai plačiame diapazone.
Sudėtiniai spalvoti poliarizuojantys filtrai. Jie susideda iš dviejų pasukamų poliarizacinių filtrų, o tarp jų yra plokštė, kuri suka šviesos poliarizacijos plokštumą. Dėl to, kad sukimosi kampas priklauso nuo bangos ilgio, kiekvienoje poliarizatorių padėtyje dalis spektro praeina per tokią sistemą, o dalis vėluoja. Sukant poliarizatorius vienas kito atžvilgiu, pasikeičia filtro spektrinės charakteristikos. Pavyzdžiui, gaminami raudonai žali filtrai.
Elektroniniu būdu valdomi filtrai. Jei skystųjų kristalų elementas naudojamas kaip antrasis poliarizatorius kuriant kompozitinius filtrus, tai leidžia tiesiogiai valdyti filtro savybes fotografavimo proceso metu.
IV) Konsolidavimas(10 min.)
Frontalinis pokalbis.
Klausimai priekiniam pokalbiui
Kuo skiriasi įprasta šviesa nuo poliarizuotos šviesos?
Kas yra polaroidai?
Kaip turmalino kristalai ir polaroidai paverčia šviesą?
Kokią šviesos savybę rodo poliarizacijos reiškinys?
Kur galima pastebėti poliarizacijos reiškinį kasdieniame gyvenime ir technologijose?
Kur ir kaip naudojamas poliarizacijos reiškinys?
Pasiūlykite savo poliarizacijos reiškinio pritaikymą.
V) Apibendrinant(5 minutės.)
Apibrėžkime pagrindinį dalyką, kurio šiandien išmokome klasėje:
šviesos poliarizacijos samprata;
Polaroid ir jo funkcijos;
pasireiškimas, šviesos poliarizacijos taikymas.
VI) Namų darbai(3 min.)
Pamokos tikslas
Suformuoti tarp moksleivių „natūralios ir poliarizuotos šviesos“ sampratą; pristatyti eksperimentinius šviesos bangų skersinės prigimties įrodymus; ištirti poliarizuotos šviesos savybes, parodyti mechaninių, elektromagnetinių ir šviesos bangų poliarizacijos analogiją; pateikti polaroidų naudojimo pavyzdžius.
Šviesos poliarizacijos pamoka yra paskutinė pamoka temoje „Bangų optika“. Šiuo atžvilgiu pamoka naudojant kompiuterinį modeliavimą gali būti struktūrizuota kaip bendra kartojimo pamoka arba dalis pamokos gali būti skirta problemoms temomis „Šviesos trukdžiai“, „Šviesos difrakcija“ spręsti. Siūlome pamokos modelį, kuriame studijuojama nauja medžiaga tema „Šviesos poliarizacija“, o vėliau išmokta medžiaga konsoliduojama kompiuteriniu modeliu. Įjungta šią pamoką Tikrą demonstraciją nesunku derinti su kompiuteriniu modeliavimu, nes polaroidus galima padėti vaikams į rankas ir parodyti, kad šviesa užgęsta pasukus vieną iš polaroidų.
|
Namų darbas: § 74, užduotis Nr.1104, 1105.
Naujos medžiagos paaiškinimas
Interferencijos ir difrakcijos reiškiniai nekelia abejonių, kad sklindanti šviesa turi bangų savybių. Bet kokios bangos – išilginės ar skersinės?
Ilgą laiką bangų optikos įkūrėjai Youngas ir Fresnelis šviesos bangas laikė išilginėmis, tai yra, panašiomis į garso bangas. Tuo metu šviesos bangos buvo laikomos elastingomis bangomis eteryje, užpildančiomis erdvę ir prasiskverbiančiomis į visus kūnus. Atrodė, kad tokios bangos negali būti skersinės, nes skersinės bangos gali egzistuoti tik kietame kūne. Bet kaip kūnai gali judėti kietame eteryje nepatirdami pasipriešinimo? Juk eteris neturėtų trukdyti kūnų judėjimui. Priešingu atveju inercijos dėsnis negaliotų.
Tačiau pamažu kaupėsi vis daugiau eksperimentinių faktų, kurių niekaip nepavyko interpretuoti, laikant šviesos bangas išilginėmis.
Eksperimentai su turmalinu
Leiskite mums išsamiai apsvarstyti tik vieną iš eksperimentų, labai paprastą ir veiksmingą. Tai eksperimentas su turmalino kristalais (skaidriais žaliais kristalais).
Parodykite mokiniams, kad šviesa išsijungia, kai pasukami du polaroidai. Turmalino kristalas turi simetrijos ašį ir priklauso vadinamiesiems vienaašiams kristalams. Paimkime stačiakampę turmalino plokštę, perpjautą taip, kad vienas jos paviršius būtų lygiagretus kristalo ašiai. Jei elektros lempos ar saulės šviesos spindulys yra įprastai nukreiptas į tokią plokštę, tai plokštelės sukimasis aplink spindulį nesukels per ją sklindančios šviesos intensyvumo pokyčių (žr. pav.). Galima pamanyti, kad šviesa tik iš dalies buvo sugerta turmalino ir įgavo žalsvą spalvą. Daugiau nieko neįvyko. Bet tai netiesa. Šviesos banga įgavo naujų savybių.
Šios naujos savybės atsiskleidžia, jei spindulys yra priverstas pereiti per antrą lygiai tokį patį turmalino kristalą (žr. a pav.), lygiagrečiai pirmajam. Esant vienodai nukreiptoms kristalų ašims, vėlgi nieko įdomaus neįvyksta: šviesos spindulys tiesiog dar labiau susilpnėja dėl absorbcijos antrajame kristale. Bet jei antrasis kristalas bus pasuktas, o pirmasis nejudėtų (b pav.), tada atsiskleis nuostabus reiškinys – šviesos užgesimas. Didėjant kampui tarp ašių, šviesos intensyvumas mažėja. O kai ašys viena kitai statmenos, šviesa visai nepraeina (c pav.). Jį visiškai sugeria antrasis kristalas. Kaip tai galima paaiškinti?
 |
Skersinės šviesos bangos
Iš aukščiau aprašytų eksperimentų išplaukia du faktai: pirma, kad iš šviesos šaltinio sklindanti šviesos banga yra visiškai simetriška sklidimo krypčiai (pirmame eksperimente kristalą sukant aplink spindulį, jo intensyvumas nepasikeitė ) ir, antra, kad banga, kylanti iš pirmojo kristalo, neturi ašinės simetrijos (priklausomai nuo antrojo kristalo sukimosi pluošto atžvilgiu, gaunamas vienoks ar kitoks sklindančios šviesos intensyvumas).
Išilginės bangos turi visišką simetriją sklidimo krypties atžvilgiu (šia kryptimi vyksta virpesiai, ir tai yra bangos simetrijos ašis). Todėl eksperimento su antrosios plokštės sukimu paaiškinti neįmanoma, laikant šviesos bangą išilgine.
Išsamų eksperimento paaiškinimą galima gauti darant dvi prielaidas.
Pirmoji prielaida susijusi su pačia šviesa. Šviesa yra skersinė banga. Tačiau iš įprasto šaltinio krentančiame bangų pluošte vyksta virpesiai visomis įmanomomis kryptimis, statmenai bangų sklidimo krypčiai (žr. pav.).
Parodykite, kad natūrali šviesa turi vibracijų visose plokštumose.
Remiantis šia prielaida, šviesos banga turi ašinę simetriją, o tuo pat metu yra skersinė. Pavyzdžiui, bangos vandens paviršiuje neturi tokios simetrijos, nes vandens dalelių virpesiai vyksta tik vertikalioje plokštumoje.
Šviesos banga, kuri svyruoja visomis kryptimis statmenai sklidimo krypčiai, vadinama natūraliąja. Šis pavadinimas yra pagrįstas, nes m normaliomis sąlygomisšviesos šaltiniai sukuria būtent tokią bangą. Ši prielaida paaiškina pirmojo eksperimento rezultatą. Turmalino kristalo sukimasis nekeičia skleidžiamos šviesos intensyvumo, nes krintanti banga turi ašinę simetriją (nepaisant to, kad ji yra skersinė).
Antroji prielaida, kurią reikia padaryti, yra apie kristalą. Turmalino kristalas turi galimybę perduoti šviesos bangas su vibracijomis, esančiomis vienoje konkrečioje plokštumoje (paveikslėlyje P plokštuma).
 |
Kompiuteriniame modelyje „Maluso įstatymas“
Parodykite, kad turmalino kristalas turi tik vieną šviesos vibracijos plokštumą. Sukant poliarizatorių, o vėliau ir analizatorių, galima parodyti, kad perduodamos šviesos intensyvumas pasikeičia nuo didžiausios vertės iki nulio. Norint užgesinti šviesą, kampas tarp polaroidinių ašių turi būti 90°. Jei polaroidų ašys yra lygiagrečios, tai antrasis poliaroidas perduoda visą šviesą, kuri praėjo per pirmąjį.
Tokia šviesa vadinama poliarizuota arba, tiksliau, plokštuma poliarizuota, priešingai nei natūrali šviesa, kuri taip pat gali būti vadinama nepoliarizuotas. Ši prielaida visiškai paaiškina antrojo eksperimento rezultatus. Iš pirmojo kristalo atsiranda plokštumos poliarizuota banga. Su sukryžiuotais kristalais (kampas tarp ašių yra 90°) jis nepraeina per antrąjį kristalą. Jei kristalų ašys sudaro tam tikrą kampą, kuris skiriasi nuo 90°, tada atsiranda svyravimai, kurių amplitudė yra lygi bangos, einančios per pirmąjį kristalą, amplitudės projekcijai į kristalo ašies kryptį. antrasis kristalas.
Taigi, turmalino kristalas natūralią šviesą paverčia plokštumoje poliarizuota šviesa.
Mechaninis eksperimentų su turmalinu modelis
Sukonstruoti paprastą vizualinį mechaninį nagrinėjamo reiškinio modelį nesunku. Guminėje virvelėje galite sukurti skersinę bangą, kad vibracijos greitai pakeistų kryptį erdvėje. Tai natūralios šviesos bangos analogas. Dabar perkiškime laidą per siaurą medinę dėžę (žr. pav.). Iš vibracijų visomis įmanomomis kryptimis dėžutė „parenka“ vibracijas vienoje konkrečioje plokštumoje. Todėl iš dėžutės išeina poliarizuota banga.
 |
Jei jos kelyje yra dar viena lygiai tokia pati dėžė, bet pasukta 90°, palyginti su pirmąja, tai vibracijos per ją nepraeina. Banga visiškai užgeso.
Jei biure turite mechaninį poliarizacijos modelį, galite jį pademonstruoti. Jei tokio modelio nėra, tai šį modelį galima iliustruoti video filmo „Poliarizacija“ fragmentais.
Polaroidai
Ne tik turmalino kristalai gali poliarizuoti šviesą. Pavyzdžiui, vadinamieji polaroidai turi tą pačią savybę. Polaroidas yra plona (0,1 mm) herapatito kristalų plėvelė, uždedama ant celiulioido arba stiklo plokštės. Su polaroidu galite atlikti tuos pačius eksperimentus kaip ir su turmalino kristalu. Polaroidų pranašumas yra tas, kad jie gali sukurti didelius paviršius, poliarizuojančius šviesą. Polaroidų trūkumai yra purpurinis atspalvis, kurį jie suteikia baltai šviesai.
Tiesioginiai eksperimentai įrodė, kad šviesos banga yra skersinė. Poliarizuotoje šviesos bangoje vibracijos vyksta griežtai apibrėžta kryptimi.
Apibendrinant, galime pasvarstyti apie poliarizacijos panaudojimą technikoje ir šią medžiagą iliustruoti vaizdo filmo „Poliarizacija“ fragmentais.
