Закон электромагнитной индукции

Описывает явление возникновения электрического поля при изменении магнитного (явление электромагнитной индукции): электродвижущая сила индукции прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока. Коэффициент пропорциональности определяется системой единиц, знак — правилом Ленца. Закон открыт М. Фарадеем.

Законы Дальтона

Основной газовый закон: давление смеси химически не взаимодействующих идеальных газов равно сумме парциальных давлений этих газов. Открыт в 1801 г. Дж. Дальтоном.

Законы Ньютона

В основе классической механики лежат 3 закона Ньютона.
Первый закон Ньютона (закон инерции): материальная точка находится в состоянии прямолинейного и равномерного движения или покоя, если на нее не действуют другие тела или действие этих тел скомпенсировано.
Второй закон Ньютона (основной закон динамики): ускорение, полученное телом, прямо пропорционально равнодействующей всех сил, действующих на тело, и обратно пропорционально массе тела.
Третий закон Ньютона: действия двух тел всегда равны по величине и направлены в противоположные стороны.

 

Правило Ленца

Согласно этому правилу индукционный ток всегда имеет такое направление, что его собственный магнитный поток компенсирует изменения внешнего магнитного потока, вызвавшие этот ток.
Правило Ленца — следствие закона сохранения энергии. Установлен в 1833 г. Э. Х. Ленцем.

 

Начало прошлого века кардинально изменило положение дел в физике. У истоков современной физики – великое свершение одного человека – Альберта Эйнштейна [3]. Две его статьи, опубликованные в 1905 году, содержали две радикально новые мысли. Первая из них, подорвав сразу два незыблемых ньютоновских принципа – абсолютность пространства и времени и объективность получаемых результатов наблюдений стала основой специальной теории относительности. Вторая, повергнув принцип неделимости элементарных частиц и причинную обусловленность физических процессов, стала основой квантовой механики. Квантовая теория окончательно сформировалась через двадцать лет благодаря блестящей плеяде физиков, но теорию относительности практически полностью разработал сам Эйнштейн и его труды увековечили достижения человеческого разума, став своеобразными пирамидами человеческой цивилизации.

Согласно теории относительности, неверно, что пространство имеет три измерения, а время существует независимо от него. Одно тесно связано с другим и вместе они образуют пространственно-временной континуум, в котором нет единого течения времени и разные наблюдатели, двигаясь с различными скоростями относительно наблюдаемых явлений, наблюдали бы разную их последовательность. Таким образом, все измерения во времени и пространстве теряют абсолютный характер, становятся относительными, а время и пространство – лишь элементы языка, используемого наблюдателем, для описания исследуемых явлений. В 1915 году Эйнштейн выдвинул общую теорию относительности, которая в отличие от специальной учитывала гравитацию, которая в свою очередь способна искривлять и время и пространство. Категории пространства-времени становятся настолько основополагающими, что их изменение влечет за собой изменение общего подхода к описанию явлений природы. Одно из них – осознание того, что масса есть одна из форм энергии, выраженное великим уравнением .

Второе – это то, что теория относительности делает пространственно-временной язык описания земных процессов абсолютным и обосновывает формальный приём Максвелла - выражения всех физических величин в размерностях пространства – L и времени – T.

В начале XX века было сделано ряд открытий, необъяснимых с точки зрения классической физики. Первое свидетельство о том, что атомы обладают внутренней структурой, появилось с открытием рентгеновских лучей, которое тут же нашло практическое применение в медицине. Вскоре стали известны и другие виды излучения так называемых радиоактивных элементов, которые кроме практического значения, имели ещё и чисто научное. В результате бомбардировок атомов потоками альфа-частиц Резерфорд получил сенсационный результат. Вместо ньютоновских цельных частиц перед учёными предстали невероятно маленькие электроны, вращающиеся вокруг ядра на достаточно большом расстоянии, прикованные к ядрам электрическими силами. Эта планетарная модель неожиданно объяснила гениальное открытие Менделеева – его таблицу химических элементов и, в принципе, всю химию с её различными химическими реакциями. Но в то же время поставило целый ряд принципиально новых вопросов, без разрешения которых было невозможно дальнейшее исследование атомных процессов.

Частицы, из которых состоит атом, не являются элементарными т.е. твёрдыми и не делимыми. Атом в основном состоит из пустоты – ядра, в котором сосредоточена практически вся масса, и вращающимися вокруг ядра на огромных расстояниях на несколько порядков превышающих размер ядра электронов. Если в центр купола самого большого Храма в России – Исаакиевского Собора поместить песчинку и она будет олицетворять ядро атома, то пылинки, вращающиеся вокруг него по образующей купола, будут олицетворять электроны. И в тоже время атом обладает удивительной стабильностью и физической твёрдостью. Например, в воздухе атомы миллионы раз в секунду сталкиваются друг с другом, и, тем не менее, после каждого столкновения приобретают прежнюю форму. Ни одна механическая система, включая планетарную, не выдержала бы таких нагрузок.

Квантовая теория показала, что эти поразительные свойства атомов обусловлены волновой природой электронов. Твёрдость обусловлена двойственной природой материи – когда частица находится в ограниченном объёме пространства, она начинает усиленно двигаться, и чем значительнее ограничение, тем выше её энергия и скорость. Электрические силы стремятся как можно сильнее приблизить электрон к ядру и чем сильнее притяжение, тем выше скорость – до нескольких сот километров в секунду. Вследствие этого атом воспринимается как непроницаемая сфера, наподобие того, как вращающийся вентилятор воспринимается как сплошной диск. Однако атом нельзя уподобить маленькой планетарной системе, поскольку электроны не частицы, а вероятностные волны, распределённые по орбитам в соответствии с квантовыми числами, обозначающими местонахождение, энергию, форму, вращение и скорость электронов. Взаимодействие электрической силы притяжения с электронными волнами порождает огромное количество разнообразных структур и явлений в мире. Оно отвечает за все химические реакции и за образование всех молекулярных соединений, из которых состоят все твёрдые, жидкие и газообразные тела, включая живые организмы. Однако эта форма материи, обладающая многообразием очертаний, структур и сложной молекулярной архитектурой, может существовать лишь при условии не очень высокой температуры, порядка 300 градусов Кельвина. При увеличении температуры на всего на два порядка возбуждаются внутренние степени свободы (колебательные, вращательные) и разрушаются все молекулярные структуры, что и имеет место внутри большинства звёзд, т.е. для большей части материи Вселенной. Для нашей планеты особенно важными являются ядерные процессы, происходящие в центре Солнца, питающие энергией околоземное пространство и обеспечивающее жизнь на Земле.

Очевидно, что в связи с субсветовыми скоростями элементарных частиц, квантовая теория не является единственным способом описания ядерных процессов, и должна быть дополнена теорией относительности. Существует несколько «квантово – релятивистских» моделей, но создание общей теории частиц остаётся основной из пока нерешённых задач физики. Теория относительности показала, что масса не имеет отношения ни к какой субстанции, являясь одной из форм энергии. Другими словами частица должна восприниматься как динамический процесс, вовлекающий энергию, которая и проявляет себя в виде массы. Начало новому взгляду на частицы положил Дирак, сформулировавший релятивистское уравнение для электронов. Теория Дирака не только успешно описывала сложные подробности строения атома, но и обнаружила фундаментальную симметричность материи и антиматерии, предсказав существование позитрона. Из принципа симметричности следует, что для каждой частицы существует античастица, равная ей по массе и противоположным зарядом. Пары частиц и античастиц возникают при наличии достаточного количества энергии и превращаются в лучистую энергию при аннигиляции.

Это был важнейший этап в познании природы. До этого в физике считалось, что материя состоит из неразделимых элементарных частиц либо из сложных объектов, которые можно разделить на более мелкие. Вопрос был только в том, возможно ли бесконечное деление материи на всё более мелкие части, или существуют в конечном итоге мельчайшие неделимые элементы. Открытие Дирака обозначило новый подход к проблеме делимости вещества.

При столкновении двух частиц с высокой энергией они обычно разбиваются на части, размеры которых, однако не меньше размеров и масс исходных частиц. Эти частицы такого же типа, возникающие из энергии движения, задействованной в процессе столкновения. Большинство частиц, возникающих при столкновениях, очень недолговечны и существуют менее одной миллионной доли секунды, после чего они распадаются на протоны, нейтроны и электроны. В этой связи частицы следует рассматривать не как самостоятельные сущности, а как неотделимые части целого и Вселенная представляет собой подвижную сеть нераздельно связанных динамических процессов, включающих в себя и наблюдателя.

Этот фундаментальный принцип красиво демонстрирует мысленный эксперимент Эйнштейна. Спин электрона может принимать два значения – по или против часовой стрелки или, как говорят физики, «вверх» и «вниз», но направление оси вращения неизвестно. Тем не менее, стоит выбрать некую ось и произвести измерения, как обнаружится, что электрон вращается именно вокруг этой оси в том или ином направлении. Другими словами, электрон приобретает определённую ось вращения в момент измерения. Рассмотрим систему из двух электронов со суммарным спином, равным нулю и неизвестными направлениями осей вращения. Предположим, что некие процессы, не влияющие на спин электронов, вызывают их удаление друг от друга на достаточно большое расстояние, например один из них перемещается на Луну. Измеряя спин одного из электронов, предположим мы получили значение «вверх». Но поскольку суммарный спин электронов равен нулю, спин лунного электрона должен быть «нижним». Каким образом лунный электрон мгновенно узнаёт, какую ось выбрал экспериментатор? Ответ один – система из двух электронов представляет собой неделимое целое, несмотря на большое расстояние, их разделяющее и систему нельзя рассматривать в терминах составных частей. Опираясь на этот эксперимент, Джон Белл доказал теорему, проливающую свет на фундаментальную взаимосвязь и нераздельную слитность Вселенной.

Таким образом влияние принципов современной физики на эволюцию человеческого общества можно сформулировать следующим образом.

· Пространственно-временной континуум является абсолютным языком описания всех процессов (физических, химических, биологических, экономических, социальных), происходящих на Земле.

· Материя, энергия, силы, взаимодействия – есть формы движения, т. е. свойства пространства-времени.

· Материальное единство мира заключается в том, что Вселенная – это динамическое неделимое целое, включающее и наблюдателя.

История развития физики включает в себя следующие физические картины мира.

1. Механическая картина мира.

2. Электродинамическая картина мира.

3. Квантово-полевая картина мира.

Для каждой физической картины мира характерны: 1) основополагающие, мировоззренческие взгляды на устройство материального мира; 2) основные физические принципы; 3) основные понятия; 4) способы описания движения материи; 5) теоретические идеализации (материальная точка, сила – идеализация взаимодействия, абсолютно твердое тело, идеальный газ, точечный заряд, электромагнитное поле).

Физическая картина мира – это система самых общих представлений о строении, взаимодействии и движении материи от уровня элементарных частиц до галактик, описываемых как универсальными, так и специфическими для разных областей основными законами физики. Единая картина складывается из взаимосвязанных механических, полевых, статистических и квантовых представлений. Материальное единство мира проявляется в том, что физические объекты и явления на Земле и во всей Вселенной имеют единую природу, состоят из небольшого числа (стабильных) элементарных частиц и вызываются фундаментальными взаимодействиями. Фундаментальные взаимодействия (гравитационные, электромагнитные, сильные, слабые) приводят в разных пространственных областях к качественно своеобразным формам движения материи. Универсальность физических величин и законов выражается в том, что элементарные частицы, атомы, молекулы, физические тела и поля характеризуются несколькими общими величинами. Главные из физических величин являются энергия, импульс, масса, электрический заряд. Ряд физических законов применим к любым физическим явлениям в любой области пространства. Важнейшие являются законы сохранения энергии, импульса, электрического заряда. Качественное своеобразие физических явлений обнаруживается в том, что в зависимости от размеров, строения, расстояния между физическими системами имеют место различные взаимодействия и качественно различные формы движения материи. Законы основных физических теорий соответственно применимы в своих областях. В качестве элемента знаний, вокруг которого осуществляется группировка учебного материала, выбрана физическая теория, что определяется значением теории в науке как основной и ведущей формы знания. При этом важно, что теория позволяет не только объяснять процессы и явления, но и предсказывать их ход, устанавливать новые закономерности. Поэтому группировка материала вокруг физических теорий дает возможность передать обучающимся определенную сумму знаний и сформировать у них умение использовать эти знания для объяснения и предсказания явлений. Поскольку физические теории входят в физическую картину мира, подобная группировка материала способствует формированию целостного представления о физической картине мира и, тем самым, научного мировоззрения. Фундаментальные физические теории имеют одинаковую структуру, которая включает основание, ядро и следствия. В основание теории входят эмпирический базис, (экспериментальные факты, которые послужили отправной точкой развития теории); модель (тот идеализированный объект, для которого строится теория); система понятий, включая физические величины и процедуры измерения последних. В ряде случаев в основание входят эмпирически установленные законы. Ядро теории представляет собой законы, описывающие изменение состояния материального объекта, законы сохранения, постулаты и принципы, а также фундаментальные физические постоянные. К следствиям теории относятся выводное знание, применение законов, входящих в ядро теории, объяснение эмпирических фактов, предсказание нового. В курсе физики изучаются такие фундаментальные физические теории, как классическая механика, молекулярная физика, классическая электродинамика и квантовая физика.

Классическая механика – это раздел физики, который изучает закономерности механического движения и причины, вызывающие или изменяющие это движение (табл.1). Таблица 1 Основание теории Описание положения материальной точки в пространстве. Ускорение. Масса, сила. Наблюдения и эксперименты, подводящие к законам Ньютона. Ядро теории Законы Ньютона. Закон всемирного тяготения. Законы сохранения импульса и механической энергии. Гравитационная постоянная. Выводы теории Применение законов Ньютона и законов сохранения в конкретных случаях движения и равновесия тела. Молекулярная физика – это раздел физики, который изучает свойства вещества в различных агрегатных состояниях с помощью статистического или термодинамического методов (табл. 2). Таблица 2 Основание теории Понятия и величины для описания тепловых процессов (температура, тепловое равновесие и др.). Молекулярнокинетическая модель вещества. Ядро теории Законы механики. Понятия о случайных значениях энергии микрочастиц; средние значения энергии. Уравнения состояния идеального газа. Универсальная газовая постоянная Выводы теории Вывод основного уравнения молекулярно-кинетической теории и сопоставление его с уравнением состояния идеального газа. Статистическая трактовка давления и температуры. Термодинамические характеристики системы (внутренняя энергия, теплоемкость газов). Качественные применения молекулярно-кинетических представлений к объяснению строения вещества. Электродинамика – это раздел физики, который изучает электромагнитное взаимодействие заряженных тел (табл. 3). Таблица 3 Основание теории Проявления и действия электромагнитного поля. Основные понятия и величины (электрический заряд, напряженность электрического поля, индукция магнитного поля). Ядро теории Уравнения Максвелла-Лоренца о связи поля и заряда. Электрическая постоянная. Магнитная постоянная. Скорость света в вакууме. Выводы теории Электростатика. Постоянный ток. Магнитное поле. Электромагнитная индукция. Магнитные свойства вещества. Электромагнитные колебания и волны. Квантовая физика – это раздел физики, в котором принципиальную роль играют эффекты квантовой механики и квантовой теории поля в микро- и макромире (табл. 4). Таблица 4 Основание теории Квантовая природа свет. Волновые состояния микрочастиц. «Волны вероятности». Ядро теории Формула Планка-Эйнштейна. Постулаты де Бройля. Стационарные состояния как «стоячие волны». Постоянная Планка. Выводы теории Частица в потенциальной яме как простейшая модель связанного состояния. Строение атома, уровни энергии. Излучение и поглощение энергии атомами, спектры. Эволюция представлений о физической картине мира Одной из важнейших характеристик понятия "физическая картина мира" является ее эволюция – постоянное развитие и смена одних картин другими. Первой сформировавшейся картиной мира в физике была механистическая картина мира. В свою очередь она возникла под воздействием античной картины мира (Демокрита, Эпикура, Лукреция) и идей эпохи Возрождения. Решающую роль среди последних сыграли: принцип материального единства мира, принцип причинности, принцип экспериментальной обоснованности, принцип математического описания природных явлений. Все эти принципы явились философским обоснованием механистической картины мира. Окончательно сформировалась она после создания классической механики И. Ньютона. Картина мира является более широким понятием, чем теоретическая модель. Тем не менее, как и в модели, в механистической картине мира есть основные понятия и основные принципы, составляющие теоретический и философский фундамент картины. Основные понятия классической механики: 1) материя – вещество, состоящее из неделимых частиц; 2) движение – механическое перемещение в пространстве; 3) пространство – пустое вместилище тел, описываемое геометрией Эвклида; 4) время – абсолютная категория, характеризующая длительность процессов; 5) масса – мера инертности и мера тяготения. Основные принципы механики: 1) принцип относительности Галилея (все тождественные механистические явления проистекают одинаковым образом в различных инерциальных системах отсчета; 2) принцип дальнодействия. Во времена Ньютона было известно только одно – гравитационное взаимодействие. Принцип дальнодействия заключается в том, что гравитационное взаимодействие осуществляется с бесконечно большой скоростью через пустое пространство без посредства чего-либо. На смену механистической картине мира пришла электродинамическая. Основы электродинамической картины мира заложены трудами М. Фарадея и Дж. Максвелла. В отличие от механистической картины мира, где исходными философскими идеями были классический атомизм и механицизм, в электродинамической картине исходной идеей стал континуализм. В частности, Фарадей положил в основу истолкования физических явлений континуальные, непрерывные представления о материи. Передача взаимодействия в этой новой картине мира осуществляется материальным электромагнитным полем. Таким образом, материя в электродинамической картине мира представляется в двух формах – вещество и поле. После создания А. Эйнштейном специальной теории относительности в 1905 г. электродинамическая картина мира приобрела релятивистский характер. На смену абсолютным пространству и времени пришло четырехмерное плоское пространство-время, на смену дальнодействию пришло близкодействие. Можно просуммировать основные характеристики электродинамической картины мира: Основные понятия: 1) материальность физического поля; 2) относительность пространства и времени, единое пространство-время; 3) масса – мера инертности, тяготения и полной энергии (Е=mс 2 – формула Эйнштейна взаимосвязи массы и энергии); 4) непрерывность материи. Основные принципы: 1) принцип относительности Эйнштейна; 2) принцип близкодействия, заключающийся в передаче взаимодействия с конечной скоростью света; 3) принцип эквивалентности инертной и гравитационной масс; 4) принцип постоянства скорости света во всех инерциальных системах отсчета; 5) принцип причинности. Полное завершение электродинамическая картина мира получила после создания в 1915 г. Эйнштейном общей теории относительности. Дальнейшее развитие физики показало ограниченный характер электродинамической картины мира. Тем не менее достаточно универсальный способ описания природы электродинамической картиной мира привел великого ученого ХХ в. А. Эйнштейна к тупиковой идеи создания единой теории поля. Можно ограничиться указанием только двух замечаний, подчеркивающих бесперспективность единой теории поля: 1) в единой теории поля Эйнштейна задействованы только два взаимодействия – гравитационное и электромагнитное. В то же время в ней не учтены сильное и слабое взаимодействия, открытые позже, чем возникла у Эйнштейна идея единой теории поля. 2) Эйнштейн не включал в единую теорию поля квантовую механику, вероятностную интерпретацию которой он критиковал до самой своей смерти. Возникновение и проникновение "идеологии" квантовой теории во все разделы физики определило начало перехода от электродинамической картины мира к новой квантово-полевой. Зарождение квантово-полевой картины мира происходило тогда, когда еще окончательно не сложилась электродинамическая картина. По крайней мере обе теории относительности еще не появились. Основополагающей гипотезой, давшей только толчокквантовой теории была гипотеза квантов света М. Планка (1900 г.). Следует отметить важные этапы становления, формирования квантовой теории. В 1905 г. А. Эйнштейн разрабатывает квантовую теорию излучения для объяснения закономерностей фотоэффекта, углубляет и уточняет понятие квантов света – фотонов. В 1913 г. Н. Бор создает "полуклассическую, полуквантовую" теорию атома водорода. Идея дискретных состояний "скачков", противная классической физике, приобретает популярность у физиков. В 1923 г. Луи де Бройль высказывает гипотезу о волнах материи и "узаконивает" равноправное существование материи в двух формах – вещества и волн. Появлением квантовой механики Э. Шредингера и В. Гейзенберга в 1926- 1927 гг. завершается первый этап становления квантово-полевой картины мира. Перечислим некоторые основные характеристики этой картины мира. Прежде всего это основные понятия: 1) единство корпускулярно-волновых свойств материи; 2) дискретность излучения и дискретность физических состояний; 3) волновое уравнение для частиц; 4) обменный характер взаимодействия; 5) виртуальные частицы; 6) материя и антиматерия. Основные принципы: 1) принцип неопределенностей Гейзенберга; 2) принцип дополнительности Н. Бора; 3) принцип Паули. С созданием квантовой механики изменились научные методы и взгляды в ряде родственных с физикой дисциплин – химии, биологии, астрономии. "Присоединение" специальной теории относительности Эйнштейна в квантовой механике привело в конечном счете к появлению квантовой электродинамики (1940-е гг.). Бурное развитие экспериментальных и теоретических исследований элементарных частиц вызвало к жизни квантовую хромодинамику. Эта теория на основе кварковой модели элементарных частиц, обладающих сильным взаимодействием, описывает и объясняет практически все процессы взаимодействия и взаимопревращения адронов. Квантово- полевая картина мира не является некоей стационарной картиной, содержащей и объясняющей все явления природы. Очень сильное воздействие на философские взгляды физиков и других естествоиспытателей оказала теория "Большого взрыва" Вселенной, предложенная Г. Гамовым. Она является, по сути, теорией эволюции Вселенной. В науке идеи эволюции (физической, химической, биологической) появились задолго до ХХ века, но по отношению к Вселенной в целом "эволюционной философии" всегда противопоставлялась идея стационарности Вселенной. Создатель общей теории относительности – А. Эйнштейн, уже в 1917 г. предложил свою стационарную модель Вселенной, несмотря на противоречие (без дополнительных предположений) стационарности уравнениям общей теории относительности. В настоящее время идея эволюции Вселенной, происходящей по сценарию "Большого взрыва" поддерживается большинством ученых. Более того, идея эволюции Вселенной логически срастается с идеями эволюции в отдельных естественнонаучных дисциплинах. Наиболее четко прослеживается связь эволюции Вселенной и физической эволюции. Одна из фундаментальных черт окружающего мира являет характер взаимодействий в природе. В настоящее время установлено, что в природе существуют только четыре вида взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное (ядерное). Как показали теоретические исследования в рамках модели "горячей" Вселенной, чем ближе мы будем подходить к моменту "взрыва" Вселенной, тем меньше становится взаимодействий. Сначала "объединяются" электромагнитное и слабое взаимодействие, возникает так называемое электрослабое взаимодействие. На временных этапах, находящихся еще ближе к "нулю", моменту "взрыва", происходит объединение сильного и электрослабого взаимодействий – образуется взаимодействие "Великого объединения". Существующие сценарии приближения к моменту "взрыва" Вселенной не являются плодами неуемной фантазии физиков. Они возникли вследствие анализа логических и математических исследований. Основной критерий правдоподобности сценариев эволюции Вселенной заключается в соответствии теоретических выводов экспериментальным наблюдениям в нынешней Вселенной, которая обязательно должна иметь "реликтовые" следы от более ранних стадий эволюции. Между биологической эволюцией и эволюцией Вселенной прослеживается также тесная связь посредством так называемого антропного принципа. Суть последнего заключается в следующем. Свойства материи именно таковы, чтобы существовала объективная возможность зарождения жизни. Например, если бы свойства были не такими, какие они есть, если бы, у электрона была бы другая масса или другая величина заряда, то процесс эволюции от "сверхплотной" Вселенной сначала к атомам химических элементов, затем к сложным органическим молекулам и в конце концов клетке, не состоялся бы. Расчеты показывают, что процесс эволюции или других параметров электрона остановился бы на водороде и вся Вселенная состояла бы в настоящее время, из водородной среды без всяких признаков жизни. Эволюция в реальной природе естественным образом отражается в непрерывно изменяющейся современной физической картине мира, которая, по сути, является продолжением, расширением квантово-полевой картины мира.