Джим Брейтот - 101 ключевая идея: Физика

• Название: 101 ключевая идея: Физика
• Автор: Джим Брейтот
• Издательство: ФАИР-ПРЕСС
• Жанр: Справочники
• Год: 2001
• ISBN: 5-8183-0357-8 (рус.); 0-340-79048-2 (англ.)

Цель книги — доступным и увлекательным способом познакомить читателя с физикой, привлечь внимание к знакомым предметам, раскрыть их незнакомые стороны.

Здесь объясняется 101 ключевая идея великой науки, расширяющей наши знания о мире. Факты и основные понятия физики изложены так, что развивают любознательность, помогают преодолеть косность рутинного мышления, обостряют интерес к вещам, не затрагивающим нашего существования, но без которых это существование уже не мыслится; а где есть интерес, там есть желание новых знаний. От читателя не потребуется особой подготовки, кроме способности воспринимать и удивляться. Статьи расположены в алфавитном порядке. Книга предназначена для широкого круга читателей, а также учащихся школ и вузов.

---

Ионные связи в кристаллах удерживают вместе положительно и отрицательно заряженные ионы, образуя регулярный рисунок — решетку. Отрицательно заряженный ион — атом, получивший один или несколько электронов для заполнения внешней оболочки. Положительно заряженный ион — атом, потерявший один или более электронов, освободивших места в его внешней оболочке.

Ковалентные связи соединяют атомы в молекулах, свободных радикалах и аморфных твердых веществах. Каждый атом делит один или более внешних электронов с другим одним или более атомами, поэтому каждый из атомов получает законченную внешнюю оболочку. Каждая общая пара электронов образует ковалентную связь.

Металлические связи наблюдаются в металлах, где положительно заряженные ионы образуют регулярную решетку, удерживаемую «газом» свободных электронов.

Ван-дер-ваальсовы силы являются слабыми силами взаимодействия между нейтральными атомами или молекулами, притягивающими друг друга вследствие того, что ядро одного атома притягивает электроны другого атома.

В Периодической таблице элементы расположены рядами, в порядке увеличения атомной массы, слева направо в каждом ряду и сверху вниз в каждой колонке. Каждая колонка (период) включает элементы с общими химическими свойствами. Каждый ряд соответствует отдельной электронной оболочке, а каждый период — количеству электронов во внешней оболочке. Таким образом, элементы одного периода образуют один и тот же тип связей и имеют общие химические свойства.

См. также статьи «Агрегатные состояния вещества», «Структура вещества».

ТРАЕКТОРИЯ БРОШЕННОГО ТЕЛА

На любое брошенное тело действует сила притяжения Земли. В любой точке его траектории горизонтальная составляющая ускорения равна нулю, а вертикальная составляющая ускорения равна g, силе гравитационного поля (силе тяжести) в этой точке.

Вертикальное движение брошенного тела не зависит от горизонтального движения. Траекторию брошенного тела можно рассчитать с помощью уравнений динамики для движения с постоянным ускорением.

Если тело просто отпустили и оно падает вниз, не перемещаясь по горизонтали, то его скорость увеличивается равномерно с ускорением, равным g (ускорение свободного падения). Таким образом, через промежуток времени t после отпускания тела:

• его скорость v = gt;

• его средняя скорость будет равна gt/2;

• высота h уменьшится на величину, равную произведению средней скорости на время, и будет определяться по формуле gt2 /2.

Если тело бросили в горизонтальном направлении со скоростью V, то через промежуток времени t после броска:

• расстояние по горизонтали от точки броска x = Vt, так как его скорость постоянна;

• его вертикальное движение точно такое же, как и движение вертикально падающего тела, поэтому высота уменьшится на величину h = gt2/2.

Таким образом, траектория брошенного тела представляет собой кривую, которая по мере приближения к земле становится все круче и круче. Кривая такого типа называется параболой.

Траектория брошенного тела

Если тело бросили под углом к горизонту, то в горизонтальном направлении оно проходит равные участки через равные промежутки времени. Скорость его вертикального движения уменьшается до нуля, а затем оно начинает падать с увеличивающейся скоростью. Его траектория представляет собой параболу, симметричную относительно своей наивысшей точки.

См. также статью «Динамика».

УБЫВАЮЩИЕ ПРОЦЕССЫ

Убывающим называется процесс, при котором количество уменьшается с возрастающей скоростью. Экспоненциальным убыванием называется процесс, при котором скорость уменьшения количества пропорциональна количеству. Примерами убывающих процессов могут служить разрядка конденсатора и радиоактивный распад. Математические закономерности убывающих процессов применяются и к таким физическим процессам, как поглощение излучения веществом.

Любой процесс экспоненциального убывания можно представить в виде числовой модели, если известно отношение скорости уменьшения количества к количеству. Числовая модель отображается при помощи компьютерной программы или в виде таблицы. Предположим, для примера, что количество N радиоактивных ядер определенного изотопа каждый час уменьшается на 10 %, а начальное количество радиоактивных ядер равно 10 000. Из приведенной ниже таблицы видно, что количество N с каждым часом уменьшается.

Чтобы количество частиц достигло половины начального, потребовалось около 6,5 часа. Если вы сами продолжите таблицу, то заметите: за то же самое время количество радиоактивных ядер будет равно 50 % от 5000. Промежуток времени, за который первоначальное количество частиц сокращается вдвое, называется периодом полураспада.

Этому же подчиняются и любые процессы экспоненциального убывания; полупериодом процесса называется время, за которое изначальное количество сокращается на 50 %. Например, если напряжение конденсатора сокращается на 10 % каждую секунду при подсоединении его к резистору, то потребуется 6,5 секунды, чтобы конденсатор разрядился наполовину.

См. также статью «Радиоактивность 1».

УПРУГОСТЬ

Упругость — это свойство тел восстанавливать форму после прекращения действия внешних сил. Представим себе тело длиной l и площадью поперечного сечения А. Под воздействием силы растяжения Т длина тела становится равна l + е, где е — полная деформация (изменение размера) тела.

Напряжение материала равно отношению силы растяжения Т к площади поперечного сечения А. Напряжение измеряют в паскалях (Па), 1 Па = 1 Н/м2.

Относительная деформация материала равна отношению полной деформации е к начальной длине l. Поскольку это отношение длин, оно не имеет единицы.

Модуль упругости Юнга Е материала равен отношению напряжения материала к относительной деформации при условии, что напряжение не превышает предела пропорциональности. Единицей Е также служит паскаль (Па), 1 Па = 1 Н/м2.

Взаимоотношение напряжения и относительной деформации многих материалов характеризуется следующими особенностями.

Напряжение пропорционально деформации до известного предела (предела пропорциональности).

Отношение напряжения к относительной деформации постоянно и равно модулю Юнга материала. Таким образом, и сила растяжения пропорциональна полной деформации (до предела пропорциональности).

При превышении предела упругости материал не восстанавливает форму после прекращения действия внешних сил. Это объясняется тем, что атомы удаляются от своего постоянного места настолько, что не могут занять прежнее положение.

Если напряжение выходит за предел пропорциональности, деформация начинает расти быстрее. Напряжение, при котором начинается быстрый рост деформации, называется пределом текучести. В процессе такого деформирования материал может становиться более твердым.

При увеличении напряжения за пределом текучести материал вытягивается и образуется поперечное сужение. Дальнейшее вытягивание приводит к увеличению напряжения в этом сужении до тех пор, пока оно не разрывается. Напряжение разрушения равно отношению разрушающего усилия к начальной площади поперечного сечения.

См. также статьи «Агрегатные состояния вещества», «Равновесие сил».

УСКОРИТЕЛИ ЧАСТИЦ

Ускоритель, линейный или циклический, — установка, предназначенная для увеличения кинетической энергии заряженных частиц. Каждая частица разгоняется в электрическом поле, создаваемом между двумя электродами. Затем частицы на большой скорости сталкиваются с другими частицами или античастицами. В результате таких столкновений образуются новые частицы или античастицы.

Синхротрон

Синхротрон состоит из вакуумной трубки в форме кольца, закрепленной между полюсами большого количества электромагнитов, окружающих трубку. При помощи пар электродов в некоторых позициях вдоль кольца заряженные частицы ускоряются по мере прохождения по трубке. Электромагниты создают магнитное поле, поддерживающее круговую траекторию частиц с постоянным радиусом. Напряженность магнитного поля увеличивается синхронно с увеличением массы частиц, поэтому радиус вращения остается постоянным.

Линейные ускорители

Линейные ускорители состоят из длинной серии электродов, подсоединенных к источнику переменного напряжения и представляющих собой коаксиальные (соосные) цилиндры, расположенные в вакуумной трубке. Заряженные частицы испускаются в одном из концов трубки и ускоряются до ближайшего электрода. При прохождении через него напряжение изменяется. Благодаря смене напряжения полярность частиц меняется и они отталкиваются от этого электрода и устремляются к следующему. Процесс повторяется снова и снова; частица, проходя между электродами, каждый раз приобретает кинетическую энергию. При этом магнитное поле не нужно, так как заряженная частица не меняет направления. В подобном линейном ускорителе Стэнфордского университета было получено первое доказательство существования кварков.