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.

---

Невязким называется поток жидкости, вязкостью которой можно пренебречь. Для ламинарного потока невязкой жидкости при быстром течении создается низкое давление, а при медленном — высокое. Это закон Бернулли, и следует он из закона сохранения энергии, так как любое изменение кинетической и потенциальной энергии жидкости вызвано работой, совершенной силами давления в ней. Если пренебречь изменением потенциальной энергии потока, то давление выше там, где ниже скорость, и, наоборот, давление ниже там, где выше скорость. То же применимо и к потоку газов. На крыло самолета действует подъемная сила, зависящая от конструкции крыла: скорость воздушного потока под ним и давление сверху ниже, чем давление снизу. «Срыв потока» происходит в том случае, когда угол между крылом и направлением движения превышает определенную величину из-за скорости ветра. Возникает турбулентность и воздушный поток над крылом нарушается: верхнее давление начинает превышать нижнее.

См. также статьи «Давление», «Жидкости 1», «Сила и движение».

ЗАКОН ХАББЛА

При помощи 2,5-метрового телескопа-рефлектора обсерватории Маунт-Вилсон в Калифорнии (США) Эдвин Хаббл установил расстояние до пары десятков галактик с известным красным смещением в радиусе шести миллионов световых лет от Млечного Пути. Результаты этого исследования, опубликованные в 1929 году, показали, что красное смещение усиливается с увеличением расстояния. Составив график такой зависимости, можно установить, что красное смещение, а следовательно, и скорость удаления галактик пропорциональны расстоянию до них. Эту зависимость называют законом Хаббла, а коэффициент пропорциональности H в ней — постоянной Хаббла.

Последующие наблюдения и измерения скоростей большего количества галактик провел Мильтон Хьюмасон. К 1935 году Хаббл и Хьюмасон исследовали более 140 галактик на расстоянии более чем 1000 миллионов световых лет, движущихся со скоростями более 40 000 км/с. Результаты исследований подтвердили выводы Хаббла 1929 года о том, что красное смещение усиливается в зависимости от дальности расстояния до галактики. По оценкам этих ученых, постоянная Хаббла равна 160 км/с на миллион световых лет. Более точные дальнейшие исследования сократили ее приблизительно до 20 км/с на миллион световых лет.

Закон Хаббла — это экспериментальный закон, имеющий силу для ограниченного ряда явлений и исследований. В наше время считается, что он выведен из того, что Вселенная расширяется после первичного, так называемого Большого Взрыва, происшедшего от 10 000 до 15 000 миллиардов лет назад, который послужил началу пространства — времени. Постоянную Н используют для установления возраста Вселенной. Другими словами, скорость дальних галактик не может превышать скорость света с, равную 300 000 км/с, поэтому расстояние до них не может превышать с/Н. Принимая во внимание гравитацию, получаем соотношение 2с/3Н, что составляет приблизительно 12 000 миллионов световых лет.

См. также статьи «Большой Взрыв», «Красное смещение».

ЗАКОНЫ КИРХГОФА

Согласно первому закону Кирхгофа, алгебраическая сумма токов при вхождении в узел (разветвление проводников) равна сумме токов на выходе из узла. Он свидетельствует о сохранении заряда, так как полная сумма заряда, текущего по узлу в данный промежуток времени, равна полной сумме заряда, оставляющего узел в тот же промежуток времени.

Если придерживаться того, что сила тока, выходящего из узла, противоположна по знаку силе тока, входящего в него, то первый закон Кирхгофа можно выразить с помощью уравнения i1 + i2 + i3 + •• = 0, где i1, i2, i3 и т. д. — сила тока в отдельных проводниках разветвления.

Согласно второму закону Кирхгофа, ЭДС самоиндукции в замкнутом контуре равна сумме падений напряжений на отдельных участках замкнутого контура. Он свидетельствует о сохранении энергии, поскольку ЭДС возникает там, где заряд получает энергию, а падение напряжения происходит там, где заряд теряет энергию. Таким образом, сумма ЭДС — это общая электрическая энергия, образующаяся в замкнутом контуре на единицу заряда, а сумма падений напряжения — это общая электрическая энергия, потребляемая в замкнутом контуре на единицу заряда.

Для замкнутого контура с ЭДС Е1 Е2, Е3 и т. д. и сопротивлениями R1 R2, R3 и т. д. второй закон Кирхгофа можно записать в виде следующего уравнения:

Е1 + Е2 + Е3 +… = i1R1 + i2R2 + i3R3 +…, где i1, i2, i3 и т. д. — силы тока в проводниках с сопротивлением R1, R2, R3 и т. д.

Примечания.

1. ЭДС и сила тока имеют отрицательное значение, если они направлены в сторону, противоположную направлению замкнутого контура.

2. Второй закон особенно полезен при анализе цепей с более чем одним узлом. В общем случае для цепи с η узлами нужно рассмотреть η замкнутых контуров, составляя для каждого свое уравнение. Получаем η линейных уравнений для определения силы тока в η узлах.

См. также статьи «Последовательное и параллельное соединение проводников», «Сопротивление».

ЗАКОНЫ ОБРАТНЫХ КВАДРАТОВ

Закон обратных квадратов — закон, согласно которому некая физическая величина, например интенсивность излучения или напряженность поля в определенной точке, обратно пропорциональна квадрату расстояния до этой точки. Так, интенсивность излучения электрической лампы, распространяемого равномерно во всех направлениях, уменьшается в четыре раза, если расстояние до лампы увеличивается в два раза. Суть таких законов в том, что некая физическая величина распространяется из центра равномерно во все стороны. Таким образом, детектор этой величины при удалении от центра регистрировал бы все меньше и меньше ее проявлений. Представьте себе сферу, в центре которой находится источник излучения или поля. На расстоянии r от центра количество излучения или напряженность поля распределяется по поверхности сферы, которая равна 4 πr2. Таким образом, это количество, приходящееся на единицу площади сферы, обратно пропорционально площади ее поверхности и, следовательно, обратно пропорционально r2.

Закону обратный квадратов подчиняются следующие физические характеристики.

• Интенсивность излучения точечного источника = k/r2, где k — постоянный коэффициент, r — расстояние до источника при условии, что излучение не поглощается веществом, окружающим источник. Для источника, испускающего энергию излучения со скоростью W, k = W/4π , поскольку все излучение проходит через поверхность сферы 4 πr2 на расстоянии r от источника. Следовательно, интенсивность излучения определяется как количество его энергии, проходящее через единицу площади в секунду. Отсюда I = W/4πr2

• Напряженность электрического поля Е на расстоянии r от точечного заряда Q в вакууме определяется по формуле: Ε = Q/4πε0r.2 Из Q исходят силовые линии поля. На расстоянии r влияние заряда Q должно распределиться по поверхности 4 πr2, поэтому напряженность поля пропорциональна Q/4 πr2.

• На расстоянии r от центра сферы массой М, сила гравитационного поля g = GM/r2. Силовые линии вне М направлены к центру М. Обратная пропорциональность r2 свидетельствует о том, что гравитационное поле должно равномерно покрывать поверхность сферы с таким радиусом.

См. также статьи «Гравитационное поле 1», «Электрическое поле 1».

ЗАРЯД И ТОК

Электрический ток — это поток заряженных частиц. В металлах переносчиками заряда служат электроны, перемещающиеся к положительно заряженному концу металлического проводника. Сила электрического тока измеряется в амперах (А). За 1 А принята сила электрического тока, который, проходя по двум параллельным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади поперечного сечения, расположенным на расстоянии 1 м в вакууме, вызывает между ними силу, равную 2,0 х 10-7 ньютонов на каждый метр длины.

Количество заряда, проходящего через поперечное сечение проводника за определенную единицу времени, выражается произведением силы тока на время. Единицей заряда служит кулон (К), что соответствует заряду, проходящему через поперечное сечение проводника при токе силой 1 А за время 1 с.