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.

---

Тепловым называется двигатель, работающий между резервуарами с высокой и низкой температурой. Тепло из высокотемпературного резервуара используется для выполнения полезной работы. Не все оно может быть преобразовано в работу, так как часть его поступает в низкотемпературный резервуар, поскольку двигатель работает за счет разности температур. КПД двигателя равен W/Q1 где W — работа, выполненная двигателем с помощью энергии Q1 полученной из высокотемпературного резервуара. Так как W = Q1 — Q2, где Q2 — энергия, поступившая в низкотемпературный резервуар, то КПД двигателя равен (Q1 — Q2)/Q1- КПД всегда меньше единицы, поскольку Q2 — величина не нулевая.

Наиболее эффективным тепловым двигателем является модель идеального реверсивного[2] двигателя. По определению, КПД реверсивного двигателя (Т1 — Т2)/Т1 где Т1 — температура высокотемпературного резервуара, Т2 — температура низкотемпературного резервуара.

См. также статьи «Энергия и мощность», «Энтропия».

КРАСНОЕ СМЕЩЕНИЕ

Эффектом Допплера называется изменение наблюдаемой частоты волн, источник которых движется относительно наблюдателя. Такое изменение частоты также называется допплеровским сдвигом. Эффект Допплера применяется в различных областях, в частности в радио — и гидролокации, астрономии.

Представьте себе небольшой движущийся источник, испускающий волны с постоянной частотой. Волны, распространяющиеся в направлении перемещения, как бы сжимаются, а распространяющиеся в направлении, противоположном перемещению, как бы отстают от источника. Наблюдатель, находящийся перед источником, будет регистрировать волны с меньшей длиной волны, а находящийся сзади источника — с большей длиной волны.

Для звуковых волн наблюдаемая частота равна отношению скорости звуковых волн к длине волны.

Наблюдатель, находящийся перед источником, будет слышать звук с большей частотой при условии, что расстояние между ним и источником сокращается. Наблюдатель, находящийся сзади источника, будет слышать звук с меньшей частотой при условии, что расстояние между ним и источником увеличивается.

Для электромагнитных волн наблюдаемая частота равна отношению скорости света к длине волны. Скорость света всегда одна и та же для всех наблюдателей. Если источник удаляется от последнего, то длина волны увеличивается, т. е. смещается в сторону красной части спектра — наблюдается красное смещение. Если источник приближается к наблюдателю, то длина волны уменьшается, т. е. смещается в сторону синей части спектра — наблюдается синее смещение. Если его измерить, можно вычислить скорость источника света по следующей формуле: отношение скорости источника к скорости света равно отношению смещения длины волны к длине волны покоящегося источника.

См. также статьи «Волновое движение 1 и 2», «Закон Хаббла», «Электромагнитные волны».

КРУГОВОЕ ДВИЖЕНИЕ

При круговом движении тело постоянно меняет направление движения. Поскольку скорость — величина векторная, она также не постоянна. Чтобы тело двигалось по окружности, нужно применить силу, называемую центростремительной. Равномерным круговым движением называют круговое движение с постоянной численной величиной скорости.

Центростремительная сила направлена к центру, при круговом движении она перпендикулярна направлению движения, которое происходит по касательной к окружности. Траекторией движения тела в данном случае служит окружность с постоянным радиусом. При этом тело не перемещается в направлении центробежной силы.

Время Т, за которое тело совершает полный оборот, равно отношению длины окружности к его скорости: Т = 2πr/v, где r — радиус окружности.

Угловая скорость тела ω при равномерном круговом движении равна 2πТ.

Это угол в радианах, на который смещается радиус, опущенный из точки на окружность, где находится тело, за единицу времени (секунду). Угловую скорость измеряют в радианах в секунду. Объединив формулы Т — 2πr/v и ω = 2π/Т, получаем v = ωr.

Центростремительное ускорение тела при равномерном круговом движении всегда направлено к центру окружности и вычисляется по формуле а =ω2r = v2/r. Отсюда центростремительная сила для тела с массой m

F = ω2r = mv2/r

(поскольку F = ma, см. «Сила и движение»).

Человек на американских горках или на борту самолета, быстро опускающийся и затем поднимающийся, испытывает действие дополнительной силы в нижней точке спуска, равной mv2/r, где r — радиус изгиба траектории, v — скорость в нижней точке, m — масса тела человека. Эта сила дополняет ее (mg) и называется перегрузкой. Иногда она измеряется в условных единицах g. Если говорят, что человек испытывает перегрузку в 3g, это значит, что дополнительная сила тяжести (mv2/r) в 3 раза превышает его массу.

См. также статьи «Движение спутников», «Сила и движение».

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ 1 — МАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ

Магнитное поле — это силовое поле, образованное магнитом или проводником, воздействующим на другие магниты, проводники тока или движущиеся заряженные частицы; по нему также течет ток.

Силовыми линиями магнитного поля называются линии, вдоль которых двигался бы гипотетический свободный северный полюс магнита. Игла магнитного компаса или любой подвешенный стержневой магнит занимает положение вдоль силовых линий магнитного поля Земли (вдоль линии «север — юг»), причем конец магнитного стержня, указывающий на север, называется северным, а конец, указывающий на юг, — южным.

Напряженностью магнитного поля, или магнитной индукцией В, называется сила, действующая на единичный заряд в проводнике единичной длины, расположенный перпендикулярно линиям однородного магнитного поля. Единицей магнитной индукции служит тесла (Тл): 1Тл = 1Н А-1м-1. Направление этой силы перпендикулярно проводнику и полю.

Сила F, действующая на проводник с током длиной l в однородном магнитном поле, вычисляется по формуле

F = B/l sin θ,

где θ — угол между проводником и силовыми линиями поля, В — магнитная индукция.

Заряженная частица, движущаяся в магнитном поле, испытывает действие силы, перпендикулярной направлению ее движения и линиям магнитного поля. Сила рассчитывается по формуле

F = Bqv sin θ,

где v — скорость частицы, q — ее заряд, θ — угол между направлением движения заряда и полем.

Магнитный поток Ψ через поверхность площадью А, перпендикулярную линиям однородного магнитного поля, определяется соотношением BA, где В — магнитная индукция. Полный поток индукции (или общий магнитный поток, называемый также потокосцеплением) Ψ через катушку с η витками и площадью А в однородном магнитном поле равен ВАп, где В — компонент магнитного поля, перпендикулярный плоскости катушки. Единицей изменения магнитного потока служит вебер (Вб): 1Вб = 1 Тл·м2.

См. также статьи «Масс-спектрометр», «Ускорители частиц», «Электромагнитная индукция».

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ 2 — МАГНЕТИКИ

Ферромагнитные материалы, такие, как железо и сталь, можно намагничивать, и они становятся постоянными магнитами. Железо легче намагничивается и размагничивается, поэтому сердечники электромагнитов делают из железа, тогда как постоянные магниты делают из стали.

Если ненамагниченный брусок ферромагнитного материала поместить внутрь катушки с током, он намагнитится, образуя магнитное поле, которое будет сильнее магнитного поля катушки без сердечника. Относительной магнитной проницаемостью μ материала называется отношение В/В 0, где В и В 0 — соответственно величины магнитной индукции самого соленоида,[3] по которому идет ток, в присутствии материала и без него.

Относительная магнитная проницаемость не постоянна и зависит от напряженности магнитного поля, что можно видеть на графике зависимости В (по оси у) от I (по оси х) для определенного материала. Магнитная индукция возрастает нелинейно при возрастании тока от нуля до постоянного уровня — уровня магнитного насыщения. Если затем ток уменьшать до нуля, то магнитная индукция не упадет до нулевого уровня. Его она достигнет только при отрицательном значении силы тока, идущего в противоположном направлении («коэрцитивная» сила).