Чтение онлайн

на главную - закладки

Жанры

Физика в примерах и задачах
Шрифт:

Если при описании релятивистских явлений в законах физики появляется универсальная постоянная c=2,998·10^1 см/с 1), которая представляет собой максимальную скорость распространения взаимодействий - скорость света в вакууме, то при описании явлений микромира появляется ещё одна фундаментальная константа h - постоянная Планка. Её значение равно 6,62·10– 27 эрг·с.

1) В этом разделе используется система единиц СГСЭ.

Наблюдаемые на опыте корпускулярные свойства света приводят к представлению о том, что электромагнитное излучение можно рассматривать как поток фотонов. Согласно квантовой теории энергия фотона пропорциональна частоте

соответствующего излучения и даётся формулой Планка

E

=

h

.

(5)

Поскольку фотон не существует в состоянии покоя, то его масса покоя m равна нулю, а импульс в силу соотношений (4) и (5) даётся выражением

p

=

h

c

.

(6)

Фундаментальным законом физики микромира являются соотношения неопределённостей Гейзенберга, которые связывают между собой неопределённости в значениях какой-либо координаты частицы x и соответствующей проекции импульса px в один и тот же момент времени:

x

·

p

x

h

.

(7)

Невозможность приписать микрочастице одновременно точные значения координаты и соответствующей проекции импульса связана с проявлением двойственной корпускулярно-волновой природы микрообъектов. Волновые свойства микрообъектов характеризуются так называемой длиной волны де-Бройля , которая обратно пропорциональна импульсу частицы:

=

h

p

.

(8)

Корпускулярно-волновой дуализм заключается в том, что любая частица - фотон, электрон, протон, атом и т.д. - обладает потенциальной возможностью проявлять и корпускулярные, и волновые свойства, но ни в одном явлении они никогда не проявляются одновременно.

1. Принцип относительности.

Шарик массы m на нити длиной l висит неподвижно в однородном поле тяжести напряжённости g. В некоторый момент времени точка подвеса начинает двигаться в горизонтальном направлении с постоянной скоростью v (рис. 1.1). Как при этом будет двигаться шарик?

Рис. 1.1. В некоторый момент точка подвеса приводится в движение с постоянной скоростью v

Условие этой задачи очень простое, однако на первый взгляд совершенно не ясно, как к ней подступиться. С одной стороны, очевидно, что движение такой механической системы подчиняется законам классической механики Ньютона. С другой стороны, непонятно, как эти законы можно здесь применить.

Подсказкой к нахождению пути решения этой задачи может послужить то обстоятельство, что она помещена в разделе «Релятивистская и квантовая физика». То, что квантовая физика здесь ни при чем, сомнений не вызывает, поэтому остаётся выяснить, какое отношение может иметь эта задача, в которой рассматривается движение с заведомо нерелятивистскими скоростями, к теории относительности. Оказывается, что и к теории относительности эта задача тоже отношения не имеет. Но вот принцип относительности, лежащий в основе этой теории, причём в своей классической форме, сформулированный ещё Галилеем, имеет к этой задаче самое непосредственное отношение. Его использование позволяет сразу свести эту задачу к другой, хорошо известной.

Согласно принципу относительности Галилея законы, описывающие механические явления, во всех инерциальных

системах отсчёта одинаковы. При решении данной задачи удобно перейти в систему отсчёта, в которой точка подвеса неподвижна. Так как в исходной (лабораторной) системе отсчёта точка подвеса движется с постоянной скоростью v, то новая система отсчёта также является инерциальной. Однако в этой системе движение шарика на нити выглядит уже довольно просто: точка подвеса нити всё время неподвижна, а самому шарику в начальный момент времени сообщается скорость -v, направленная по горизонтали направо (рис. 1.2). Разумеется, и в новой системе отсчёта на шарик тоже действует поле тяготения напряжённости g.

Рис. 1.2. В системе отсчёта, где точка подвеса неподвижна, шарик в начальный момент имеет скорость -v

В системе отсчёта, связанной с точкой подвеса, дальнейшее движение шарика будет происходить по-разному в зависимости от его начальной скорости. При небольшой начальной скорости система будет вести себя как математический маятник, совершающий малые почти гармонические колебания вблизи вертикального положения равновесия:

(t)

=

sin t

.

(1)

Частота равна частоте собственных колебаний математического маятника длины l: ^2=g/l. Выбор начальной фазы колебаний в уравнении (1) соответствует тому, что при t=0 маятник расположен вертикально и =0. Амплитуда колебаний также находится из начальных условий. Так как согласно формуле (1) угловая скорость маятника равна

(t)

=

cos t

,

(2)

то линейная скорость шарика при t=0 равна l. Приравнивая её начальной скорости v, находим угловую амплитуду :

=

v

l

.

(3)

Такое гармоническое колебательное движение маятника происходит только при небольшой амплитуде <<1, т.е., как видно из формулы (3), при

v

<<

l

=

gl

.

Если начальная скорость v не очень мала, т.е. не удовлетворяет приведённому неравенству, то колебания маятника будут происходить с большой амплитудой и уже не будут гармоническими. Но амплитуда колебаний, разумеется, не может превышать значения =/2. При такой амплитуде шарик в крайних положениях поднимается до уровня точки подвеса. Этому соответствует, как легко убедиться с помощью закона сохранения энергии, значение начальной скорости v=2gl. Если же начальная скорость больше этого значения, то шарик поднимется выше точки подвеса, однако он будет двигаться по окружности только до тех пор, пока сила натяжения нити не обратится в нуль. Начиная с этой точки, гибкая нить не влияет на движение шарика, и он движется свободно в поле тяжести по параболе, пока нить снова не вытянется на всю длину.

Рис.1.3. К нахождению точки, в которой натяжение нити T обращается в нуль

Угловое положение точки в которой сила натяжения нити обращается в нуль, легко найти с помощью закона сохранения энергии и проекции уравнения второго закона Ньютона на направление нити, полагая в нем силу натяжения нити T равной нулю. Из рис. 1.3 видно, что эти уравнения записываются следующим образом:

mv^2

2

=

mgl

(1-cos )

Поделиться:
Популярные книги

Новый Рал 8

Северный Лис
8. Рал!
Фантастика:
попаданцы
аниме
5.00
рейтинг книги
Новый Рал 8

Назад в СССР 5

Дамиров Рафаэль
5. Курсант
Фантастика:
попаданцы
альтернативная история
6.64
рейтинг книги
Назад в СССР 5

Драконий подарок

Суббота Светлана
1. Королевская академия Драко
Любовные романы:
любовно-фантастические романы
7.30
рейтинг книги
Драконий подарок

Весь цикл «Десантник на престоле». Шесть книг

Ланцов Михаил Алексеевич
Десантник на престоле
Фантастика:
альтернативная история
8.38
рейтинг книги
Весь цикл «Десантник на престоле». Шесть книг

Купец III ранга

Вяч Павел
3. Купец
Фантастика:
фэнтези
попаданцы
аниме
5.00
рейтинг книги
Купец III ранга

Служанка. Второй шанс для дракона

Шёпот Светлана
Любовные романы:
любовно-фантастические романы
5.00
рейтинг книги
Служанка. Второй шанс для дракона

Как я строил магическую империю 4

Зубов Константин
4. Как я строил магическую империю
Фантастика:
боевая фантастика
постапокалипсис
аниме
фантастика: прочее
фэнтези
5.00
рейтинг книги
Как я строил магическую империю 4

Эволюционер из трущоб. Том 5

Панарин Антон
5. Эволюционер из трущоб
Фантастика:
попаданцы
аниме
фэнтези
фантастика: прочее
5.00
рейтинг книги
Эволюционер из трущоб. Том 5

Монстр из прошлого тысячелетия

Еслер Андрей
5. Соприкосновение миров
Фантастика:
попаданцы
аниме
фэнтези
5.00
рейтинг книги
Монстр из прошлого тысячелетия

Академия

Кондакова Анна
2. Клан Волка
Фантастика:
боевая фантастика
5.40
рейтинг книги
Академия

Под маской, или Страшилка в академии магии

Цвик Катерина Александровна
Фантастика:
юмористическая фантастика
7.78
рейтинг книги
Под маской, или Страшилка в академии магии

Сердце Дракона. Том 20. Часть 1

Клеванский Кирилл Сергеевич
20. Сердце дракона
Фантастика:
фэнтези
боевая фантастика
городское фэнтези
5.00
рейтинг книги
Сердце Дракона. Том 20. Часть 1

Школа. Первый пояс

Игнатов Михаил Павлович
2. Путь
Фантастика:
фэнтези
7.67
рейтинг книги
Школа. Первый пояс

Легионер (пять книг цикла "Рысь" в одном томе)

Посняков Андрей
Рысь
Фантастика:
фэнтези
7.38
рейтинг книги
Легионер (пять книг цикла Рысь в одном томе)