Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Современная физика и техника для студентов
.pdf
Предисловие
Главная цель этой книги — связать стандартный курс физики,
преподаваемый в университетах, c достижениями в современной науке и технике. В первой части книги (главы 1–4) дается краткий
обзор наиболее важных тем современной физики. Во вторую часть
(главы 5–7) включены задачи из университетского курса, так или иначе связанные с различными областями современной науки. Следует
подчеркнуть, что студенты могут решить эти задачи без какого-либо
знания вопросов современной физики, поэтому чтение первой части
книги можно опустить. Однако если какая–то задача вызовет у студента интерес, то можно заглянуть в первую часть, чтобы получить
краткую информацию по данной проблеме. Мы надеемся, что эта
книга поможет студентам оживить свой интерес к физике и в дальнейшем применить полученные знания на практике.
На данный момент между образованием в университете и современной наукой существует огромная пропасть. Как следствие этого
выпускники колледжей и ВУЗов не могут использовать целый ряд
преимуществ, которые дает современная технология, и прежде всего
поэтому интерес к физике в учебных заведениях весьма низок.
Мы попытались ликвидировать этот разрыв. В современной науке и технике широко используются методы классической физики, но
это не находит отражения в задачах, обычно предлагаемых студентам.
Мы считаем, что решение практических задач — это весьма эффективный способ информировать учащихся об успехах современной
науки, показать связь между классической и современной физикой,
а также подготовить студентов к профессиональной деятельности
в современном технологичном мире.
В книгу включен ряд задач, основанных на некоторых новейших
научных разработках. Задачи построены так, что их можно решить,
применяя лишь знания, полученные в рамках обычной университетской программы. Вся работа была выполнена нами на факультете
vi ПРЕДИСЛОВИЕ
основ технического проектирования и фундаментальных исследований (IDS, Introductory Design and Science) Политехнического университета (Нью–Йорк) в тесном сотрудничестве с Национальной лабораторией в Лос–Аламосе (LANL, Los Alamos National Laboratory). Политехнический университет — один из старейших технических университетов США, широко известный как выдающийся центр университетского образования. Факультет IDS был создан для того, чтобы
разрабатывать новые методы в научном образовании. LANL широко
известна как один из выдающихся мировых исследовательских центров, который к тому же реализует активную программу поддержки
научного образования.
Л. М.Фолан, В. И. Цифринович
иГ.П.Берман
Февраль, 2003
Оглавление
Предисловие ........................... v
ЛАВА 1. Введение ........................ 1
Г
ЛАВА 2. Элементарные частицы, ядра и атомы ....... 4
Г
2.1. Фундаментальныеэлементарныечастицы ........... 4
2.2. Взаимодействиямеждучастицами................ 6
2.3. Составныеэлементарныечастицы................ 9
2.4. Превращенияэлементарныхчастиц............... 11
2.5. Ускорителиэлементарныхчастиц ................ 14
2.6. Ядра................................. 16
2.7. Ядерныереакции ......................... 18
2.8. Атомы — основные единицы вещества . . . .......... 21
2.9. Квантовое движение и состояния типа «шредингеровского
кота» ................................ 23
ГЛАВА 3. Применения физики ................. 26
3.1. Магнитныйрезонанс ....................... 26
3.2. Нанотехнология .......................... 31
3.3. Сверхпроводники ......................... 32
3.4. Цунами............................... 36
3.5. Квантовыевычисления ...................... 37
3.6. Квантоваятелепортация ..................... 38
ГЛАВА 4. Космос ......................... 41
4.1. Нормальныезвезды........................ 41
4.2. Необычныезвезды......................... 42
4.3. Космическиеполеты ....................... 45
ГЛАВА 5. Механика ....................... 47
5.1. Краткийобзор ........................... 47
5.2. Задачи................................ 61
viii ОГЛАВЛЕНИЕ
ГЛАВА 6. Электричество и магнетизм ............. 75
6.1. Краткийобзор ........................... 75
6.2. Задачи................................ 89
ГЛАВА 7. Ответы и решения ..................102
7.1. Механика..............................102
7.2. Электричествоимагнетизм....................110
ГЛАВА 8. Заключение ......................117
ЛАВА 9. Приложение ......................118
Г
9.1. Некоторыеформулыизвекторногоанализа...........118
9.2. Принятые сокращения для единиц измерения . . . ......119
9.3. Десятичныеприставки ......................119
9.4. Коэффициенты пересчета некоторых величин . . . ......120
9.5. Приближенные значения некоторых физических величин . . . 120
9.6. Некоторыесведенияизастрономии ...............121
9.7. Условныеобозначения ......................123
Предметный указатель .....................127
ГЛАВА 1
Введение
На данный момент существует огромный разрыв между современной наукой и классическим образованием в университете. Задачи,
которые предлагаются студентам в курсе физики, по-видимому, слабо связаны с современными открытиями и достижениями. В то же
время — как, возможно, согласятся многие ученые — уровень преподавания физики в университетах достаточно высок, чтобы оценить
и даже иногда рассчитать некоторые важные свойства явлений, имеющих отношение к передовой науке.
Главная идея этой книги — способствовать согласованию между современной наукой и той физикой, что преподают студентам.
Мы надеемся, что такое взаимодействие возбудит интерес как к изучению физики, так и к современным научным разработкам. Наилучшим результатом можно было бы считать то, что эта книга поможет
студентам понять современные научные идеи и хорошо разобраться
в них, чтобы впоследствии применить полученные знания в учебе
и на работе.
Книга построена таким образом: в следующих трех главах дается краткий обзор некоторых тем современной науки и техники. Мы
надеемся, что не только студенты, но и преподаватели найдут чтото интересное для себя в этом обзоре. Во второй главе излагаются
современные представления о фундаментальных элементарных частицах и фундаментальных взаимодействиях. Кратко описываются
три поколения фундаментальных элементарных частиц, составные
элементарные частицы и калибровочные поля. Далее рассказывается о превращениях элементарных частиц и о некоторых наиболее
мощных ускорителях, созданных специально для того, чтобы изучать
взаимодействия между частицами. Затем рассматриваются атомные
ядра и ядерные реакции, квантовые свойства атома, включая такие
2ГЛАВА 1
тонкие вопросы, как состояния «шредингеровского кота». По каждой теме мы попытались дать основные сведения, а также рассказать
о последних достижениях в данной области. Мы не ставили перед собой цели довести доступность представляемого материала до уровня
научно-популярной литературы, и здесь, несомненно, присутствует
некоторый уклон в сторону физики. Тот же принцип, только в гораздо большей мере, применяется и в следующих двух главах.
В главе 3 представлены некоторые применения современной физики. Кратко описываются принципы электронного спинового резонанса и ядерного магнитного резонанса, а также идеи спиновой
расфазировки (спинового эха). Затем мы переходим к современным
идеям измерения отдельного спина, включая магнитную резонансную силовую микроскопию и сканирующую туннельную микроскопию. Далее рассказывается о нанотрубках как об одном из новейших
направлений в нанотехнологии. В следующем разделе обсуждается
сверхпроводимость, включая джозефсоновские эффекты и СКВИД.
От этих «относительно старых» явлений мы переходим к новейшим
проблемам: состояниям суперпозиции в сверхпроводящем прямоугольнике нанометрового размера, состояниям типа «шредингеровского кота» для сверхпроводящего тока и сверхпроводящим магнитам. Далее упоминается о применении физики в борьбе с природными катастрофами. В качестве примера мы рассматриваем цунами
и современные идеи создания системы, позволяющей заранее предупреждать о возникновении цунами. Наконец, объясняются захватывающие идеи квантовых вычислений и квантовой телепортации.
В четвертой главе рассматриваются астрофизические явления.
Описываются реакции слияния в нормальных звездах типа нашего Солнца. Затем рассматривается эволюция звезд, рассказывается
о происхождении и свойствах «белых карликов», нейтронных звезд
и «черных дыр». В заключение кратко рассматриваются современные
программы космических полетов, достижения и надежды, связанные
с исследованием космоса.
Главы 5 и 6 содержат задачи и краткий обзор основных тем из
обычного университетского курса физики. Предлагаемые задачи связаны с последними достижениями в современной науке. Некоторые
из задач имеют непосредственное отношение к вопросам, обсуждаемым в предыдущих трех главах, но чтобы решить эти задачи, чита-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]