4. Эффект Доплера и его применения. Роль эффекта Доплера в развитии представлений о строении вселенной.

В 1842 г. физик и астроном Кристиан Доплер обнаружил зависимость частоты волнового импульса при движении волн относительно наблюдателя, которая получила название «Эффект Доплера». Данные эффект относится ко всем типам волн – звуковым волнам в атмосфере, волнам на воде, световым волнам, упругим волнам в твердом теле. Измерение доплеровского смещения в спектрах позволяет с большой точностью определить скорости движущихся объектов.

Используя формулы для эффекта, Доплер пытался применить их к объяснению цвета двойных звезд, но недооценив роль ультрафиолетового и инфракрасного излучений, допустил ряд ошибок.

Первое подтверждение эффекта Доплера получил опыт Х. Бейс – Баллота для акустических волн. Суть опыта заключалась в следующем: несколько музыкантов разместились на платформе, двигающейся на известной скорости вдоль перрона, где остальные воспринимали их музыку, после чего музыканты поменялись ролями. После опыта выяснилось, что данные, полученные от впечатлений участников опыта, хорошо укладывались в формулу Доплера.

Впоследствии эффект Доплера был применен для измерения радиальной составляющей звезд по смещению спектральных линий (А. Физо). Также данный эффект сыграл решающую роль в обосновании специальной теории относительности, ав 1922г. Э. Шрединерг дал обобщение формуле Доплера для частоты на случай больших скоростей.

Спектры галактик слабы и измерить их достаточно трудно, но эффект Доплера дал незаменимый метод для измерений скоростей звезд и галактик. Смещение спектральных линий из-за эффекта Доплера привело к новой картине расширяющейся Вселенной.

В 1914 г. американский астроном В. М. Слайфер опубликовал результаты измерений лучевых скоростей в тринадцати спиральных галактиках, которые были получены с помощью измерения доплеровского сдвига в спектре этих галактик. Оказалось, что скорости большинства из них были направлены в сторону от Солнца, а нескольких – превосходили все измеренные ранее. Это означало, что эти галактики удаляются от нашей солнечной системы с невероятной скоростью до 1800 км в секунду. Впоследствии, при изучении других спиральных галактик, Слайфер убедился, что все они, кроме нескольких близлежащих, удалялись от Солнца. Причем скорость их удаления возрастала по мере уменьшения их яркости. Однако, такое движение нарушало бы однородное распределение галактик в пространстве, поэтому позже пришли к выводу, что такое крупномасштабное движение является однородным расширением.

Позднее, благодаря наблюдениям за зависимостью периода цефеид (наиболее ярких звезд в Малом Магеллановом облаке, небольшой галактике, частично заходящей в Млечный Путь) от яркости, было подтверждено, что за пределами Млечного Пути есть и другие галактики (Левитт, Э. Герцшпрунг). Данное подтверждение расширило представления о нашей Вселенной. 2, 6-7

5. Понятия температуры и теплоты. Можно ли передать некоторое количество теплоты телу, не повышая его температуры?

Центральное место во всем учении о тепловых явлениях занимает температура, которая характеризует степень нагретости тела. Для ее измерения был создан прибор, называемый термометром, в основе которого положено свойство тел изменять свой объем при нагревании или охлаждении.

При соприкосновении двух тел их частицы, сталкиваясь между собой, будут передавать друг другу энергию (в результате чего более быстрые из них будут замедляться, а более медленные начнут двигаться быстрее) до тех пор, пока не установится тепловое равновесие.

Тепловое равновесие с течением времени устанавливается между любыми телами, имеющими различную температуру. Если бросить в стакан с водой кусочек льда и закрыть стакан плотной крышкой, лед начнет плавиться, а вода охлаждаться. Таким образом, при передаче тепла от более горячего тела к более холодному, неизбежно повышение температуры последнего. Когда лед растает, вода начнет нагреваться и, после того, как она примет температуру окружающего воздуха, никаких изменений внутри стакана происходить не будет.

Из этих и подобных простых наблюдений можно сделать вывод о существовании очень важного общего свойства тепловых явлений. Любое макроскопическое тело или группа макроскопических тел при неизменных внешних условиях самопроизвольно переходит в состояние теплового равновесия. Тепловым равновесием называют такое состояние, при котором все макроскопические параметры сколь угодно долго остаются неизменными. Это означает, что в системе не меняются объем и давление, не происходит теплообмен, отсутствуют взаимные превращения газов, жидкостей, твердых тел и т. д.

Но микроскопические процессы внутри тела не прекращаются и при тепловом равновесии; меняются положения молекул, их скорости при столкновениях.

Система макроскопических тел может находиться в различных состояниях, в каждом из которых температура имеет свое, строго определенное значение. Другие же физические величины в состоянии теплового равновесия могут иметь различные значения, которые с течением времени не меняются. Таким образом, температура характеризует состояние теплового равновесия системы: все тела системы, находящиеся друг с другом в тепловом равновесии, имеют одну и ту же температуру.

При одинаковых температурах двух тел между ними не происходит теплообмена. Если же температуры тел различны, то при установлении между ними теплового контакта будет происходить обмен энергией. Разность температур тел будет указывать направление теплообмена между ними. 4, 7-8; 1, 8