- •Содержание
- •2.2. Трансдисциплинарная идея моделирования природы
- •2.3. Трансдисциплинарная идея единства объекта и его окружения
- •2.4. Трансдисциплинарная идея пространственно-временных отношений в природе
- •2.5. Трансдисциплинарная идея целостности природы
- •2.6. Трансдисциплинарная идея экспериментальной достоверности
- •2.7. Роль трансдисциплинарных идей в целостном понимании природы
- •3.1.2. Концепция единого пространства-времени.
- •3.1.3. Концепция моделирования объектов
- •3.1.4. Концепция контролируемого воздействия.
- •3.1.5. Специфика классических моделей химии и биологии
- •3.2. Образ природы в неклассическом естествознании
- •3.2.1. Концепция измерения в неклассическом естествознании
- •3.2.2. Концепция моделирования состояний
- •3.2.3. Целостность микросостояний. Особенность микросостояний системы тождественных частиц
- •3.2.4.Концепция макросостояний объектов
- •3.2.5. Концепция флуктуации и их корреляций
- •3.2.6. Флуктуации и альтернативная корреляция между ними в микромире
- •Лекция №4.
- •4. Концепция измерения в классическом естествознании. Классические измерительные системы. Проблема измерения в классическом естествознании. Единицы измерения и системы единиц
- •4.1. Проблема измерения в классическом естествознании
- •4.2. Единицы измерения и системы единиц
- •4.3. Возникновение систем мер.
- •4.4.Возникновение и распространение метрической системы мер.
- •4.5. Эталоны.
- •4.6. Атомные часы.
- •Лекция №5.
- •5.1. Временные отношения в природе
- •5.2. Пространственные отношения в природе
- •5.3. Движение частицы. Взаимосвязь Пространства и времени
- •5.4. Целостное описание пространства-времени
- •Лекция №6.
- •6.1. Моделирование
- •6.2. Традиции атомизма и непрерывности в естествознании.
- •6.3. Фундаментальные физические модели объектов
- •6.4. Масса как универсальная характеристика инертности и гравитаци.
- •6.5. Импульс как фундаментальная характеристика объекта
- •6.6. Полная энергия и полный момент как фундаментальные характеристики объекта
- •6.7. Роль фундаментальных законов сохранения в описании природы
- •Лекция №7.
- •7.1. Воздействие и взаимодействие
- •7.2. Характеристики контролируемого воздействия на частицу
- •7.3. Фундаментальные силы
- •7.4. Механическая энергия и динамика частицы
- •7.5. Энергия взаимодействия в системе частиц
- •Лекция №8.
- •8.1. Концепция измерения в неклассическом естествознании
- •8.2. Концепция моделирования состояний
- •8.2.1. Неклассические представления о характеристиках объектов и состояний
- •8.2.2. Фундаментальные модели неклассической физики
- •Лекция №9.
- •9.1. Ограничение воздействия на микроуровне как фундаментальный закон природы
- •9.2. Микросостояние одной микрочастицы.
- •9.3. Целостность микросостояний. Особенность микросостояний системы тождественных частиц
- •Лекция №10.
- •10.1. Тепловое равновесие как макросостояние.
- •10.2. Детерминированное и стохастическое движения. Ограничение воздействия на макроуровне как фундаментальный закон природы
- •10.3. Макропараметры как характеристики объектов и их макросостояний в тепловом равновесии
- •10.4. Два способа описания природы на макроуровне.
- •Лекция №11.
- •11.1. Флуктуации и их роль в описании природы
- •11.2. Флуктуации и альтернативная корреляция между ними в микромире
- •11.3. Флуктуации и неальтернативная корреляция между ними в макромире
- •11.4. Универсальные корреляции между флуктуациями в неклассической физике.
- •Лекция №12.
- •12. Физические принципы создания современной эталонной базы. Использование явления сверхпроводимости.
- •12.1. Свойство сверхпроводимости
- •12.2. Изотопический эффект
- •12.3. Функциональные устройства на магнитных вихрях в сверхпроводниках второго рода
- •12.4 Высокотемпературная сверхпроводимость
- •Лекция №13.
- •13. Явление Зеемана. Явление Джозефсона.
- •13.2. Явление Джозефсона.
- •Лекция №14.
- •14. Явление Мессбауэра. Другие эффекты квантовой физики
- •14.1. Краткая история жизни знаменитого ученого. Научные достижения
- •14.2. Предыстория вопроса
- •14.3. Открытие Мёссбауэра
- •14.4. Природа эффекта
- •14.5. Мёссбауэровские изотопы
- •14.6. Общие применения метода
- •14.7. Применение эффекта Мессбаура для изучения свойств поверхности и объема кристаллов
- •14.8. Химические применения метода
- •14.9. Выводы
- •Лекция №15.
- •15.1.Общие сведения.
- •15.2. Объяснение эффекта Холла с помощью электронной теории
- •15.3. Эффект Холла в ферромагнетиках.
- •15.4. Эффект Холла в полупроводниках
- •15.5. Эффект Холла на инерционных электронах в полупроводниках
- •15.6. Датчик эдс Холла
- •Лекция №16.
- •16. Измерение абсолютного заряда электрона и его удельного заряда. Опыт Милликена. Метод Томсона. Метод магнитной фокусировки Буша.
- •16.1. Инерционный метод измерения заряда. История открытия электрона
- •16.2. Метод магнитной фокусировки Буша
- •16.3. Опыт Милликена
- •Лекция №17.
- •17.1. Шумы, обусловленные дискретностью вещества. Помехи
- •17.2. Дробовый эффект
- •17.3.Критерий устойчивости Найквиста. Формула Найквиста
- •17.4. Естественные пределы точности измерений
- •17.5. Методы повышения точности средств измерений и выполнения измерений
- •17.6. Фундаментальный источник погрешностей измерений. Основные понятия и виды погрешностей
- •17.7. Броуновское движение
- •Список используемой литературы:
7.3. Фундаментальные силы
Доказанную на опыте возможность описать внешнее воздействие на частицу небольшим числом законов для типичных сил можно считать большой удачей. Дело в том, что само выражение «частица, движущаяся в неизменных внешних условиях», строго говоря, не является точным. Во-первых, частица взаимодействует с окружающими объектами, т.е. может влиять на эти «неизменные» условия. Во-вторых, ее окружение само состоит из движущихся и взаимодействующих частиц, например, атомов и т.п. Результат их воздействия на выделенную частицу зависит от того, что происходит с объектами, которые мы отнесли к ее внешнему окружению. То есть, в общем случае все частицы между собой взаимодействуют и сведение взаимодействия к внешнему воздействию возможно далеко не всегда.
Среди всех известных ныне внешних воздействий выделим, прежде всего, те, что относятся к фундаментальным силам природы. Первой из известных ныне фундаментальных сил была изучена гравитационная сила, или сила тяготения. На Земле она проявляется в том, что находящиеся на ее поверхности объекты с нее не сваливаются. Эта же сила ответственна за падение объектов на Землю. Она же удерживает космический корабль или Луну на орбитах, по которым они движутся вокруг Земли. Может возникнуть вопрос: почему снаряд, выпущенный из орудия, падает на Землю, а искусственный спутник или Луна на нее не падают. На самом деле они тоже «падают», но упасть не успевают, ибо скорости горизонтального и вертикального движения у них согласованы, в результате чего они движутся по орбитам (не обязательно круговым). Если же вследствие трения в атмосфере горизонтальная скорость снижается, происходит реальное падение спутника или его частей на поверхность Земли.
Закон фундаментальной силы тяготения, справедливый на Земле и в космическом пространстве, имеет вид
F = m G(r) (7.2),
где m – масса объекта, моделируемого «несвободной» частицей, G(r) – гравитационное поле, т.е. векторная величина, характеризующая гравитационное притяжение частицы со стороны других объектов.
В простейшем случае, например, вблизи поверхности Земли поле тяготения направлено вертикально вниз, а его величина постоянна:
G(r) = g =9,8 м/сек2 = const (7.3),
и численно равна ускорению свободного падения тела в этих условиях. Для массивного тела массы М (например, звезда или планета) поле тяготения имеет вид , где – гравитационная постоянная, а r – расстояние от центра массивного тела до частицы.
Сила тяготения существенна только тогда, когда создающее ее тело достаточно массивно. Поэтому в земных условиях, кроме всеобщего притяжения тел к центру Земли, ее можно не учитывать. В этом случае важнейшую роль приобретает другая фундаментальная сила – электромагнитная сила.
С разнообразными наглядными проявлениями электромагнитной силы в природе человек встречается повседневно. Это и электризация тел при трении, и молния, и свет, и постоянные магниты, и земной магнетизм, проявляющийся в поведении стрелки компаса. Изучение электромагнитной силы привело к выводу, что ее интенсивность определяется особой физической характеристикой, названной электрическим зарядом. Полное выражение для электромагнитной силы, действующей на заряженную частицу и называемой силой Лоренца, включает два качественно различных члена – электрическую и магнитную силу:
(7.4).
Выражение для электрической силы имеет вид , где q – электрический заряд частицы, а Е – электрическое поле. Для одной заряженной частицы с зарядом Q электрическое поле зависит от расстояния до точки наблюдения по закону , т.е. по форме напоминает поле тяготения для массивного тела. В чистом виде электрическое поле удается создать внутри конденсатора, представляющего собой две металлические пластинки, каждая из которых заряжена одинаковыми зарядами, одна – положительными, а другая – отрицательными. Особенность такого поля состоит в том, что оно не зависит от расстояния и имеет одинаковое значение во всем пространстве между обкладками.
Выражение для магнитной силы Fмаг несколько более «сложно, поскольку эта сила имеет направление, перпендикулярное направлению скорости частицы и магнитному полю В. В частном случае равномерного движения заряженной частицы по окружности, когда магнитное поле направлено перпендикулярно к плоскости окружности, величина действующей на нее магнитной силы записывается в виде: . При этом сила направлена вдоль радиуса. Магнитное поле удается создать либо искусственно внутри катушки с током (соленоида), либо использовать природные постоянные магниты.
Фундаментальная электромагнитная сила Лоренца лежит в основе описания электромагнитных явлений внутри атомов и молекул. Существующие в природе заряженные частицы – ядра и электроны – отличаются знаками заряда: ядра заряжены положительно, а электроны – отрицательно. Они образуют нейтральные атомы и молекулы, заряды которых равны нулю. Тем не менее, слабое воздействие друг на друга оказывают и нейтральные объекты, состоящие из заряженных частиц. Его можно описать, введя вместо силы Лоренца нефундаментальные силы, которые в принципе сводятся к фундаментальным.
К важнейшим из нефундаментальных сил относятся силы упругости, возникающие в молекулах или твердых телах при небольшом отклонении атома или части кристалла от положения равновесия. С действием упругой силы Fупр можно познакомиться, представив себе шарик на пружине. Тогда
(7.5),
где k – коэффициент упругости, а х – величина смещения шарика от точки равновесия.
Другой нефундаментальной силой, имеющей большое практическое применение, является сила сопротивления среды (жидкости или газа) движению частицы – Fсопр. Она зависит от скорости и имеет вид , где – коэффициент трения.
Наконец, следует отметить, что на одну и ту же частицу могут одновременно действовать несколько разных сил, создаваемых разными объектами. Они подчиняются принципу независимости действия сил, согласно которому полная сила равна сумме всех действующих сил:
F = Fi (7.6).