Порядок проведения вступительного испытания по физике

Вступительное испытание ориентировано на уровень знаний, определённый примерной программой вступительных экзаменов по физике, разработанной Министерством образования и науки РФ, на базе курса по физике для основной и полной средней школы.

Форма проведения вступительного испытания

Вступительный экзамен по физике проводится в виде письменной работы.
Длительность экзамена – 2,5 часа (150 минут).
Каждый билет состоит из 10 заданий.
Шкала оценивания – 100-балльная.

Абитуриент не позднее чем через 10 минут после завершения задания должен загрузить на плат-форму фотографии черновиков с решениями заданий. Без черновиков работа не проверяется.

Абитуриент должен знать и уметь:

– знать физические законы и явления;
– уметь пользоваться СИ и знать единицы основных физических величин;
– уметь решать типовые и комбинированные задачи по основным разделам физики.

Программа вступительного испытания

1. Механика

1.1 Кинематика
Механическое движение. Система отсчета. Материальная точка. Траектория. Путь и перемещение. Скорость и ускорение. Равномерное и равноускоренное прямолинейное движение. Относительность движения. Сложение скоростей. Графический метод описания движения. Графики зависимости кинематических величин от времени при равномерном и равноускоренном движении. Свободное падение тел. Ускорение свободного падения. Равномерное движение по окружности. Линейная и угловая скорости. Центростремительное ускорение.

1.2 Основы динамики
Первый закон Ньютона. Инерциальные системы отсчета. Принцип относительности Галилея. Масса. Сила. Второй закон Ньютона. Сложение сил. Момент силы. Условия равновесия тел. Центр масс. Третий закон Ньютона. Силы упругости. Закон Гука. Сила трения. Коэффициент трения. Движение тела с учетом силы трения. Гравитационные силы. Закон всемирного тяготения. Сила тяжести. Вес тела. Движение тела под действием силы тяжести. Движение искусственных спутников. Невесомость. Первая космическая скорость.

1.3 Законы сохранения в механике
Импульс тела. Закон сохранения импульса. Реактивное движение. Значение работ К.Э. Циолковского для космонавтики. Механическая работа. Мощность. Кинетическая и потенциальная энергия. Закон сохранения энергии в механике. Коэффициент полезного действия механизмов.

1.4 Механика жидкостей и газов
Давление. Закон Паскаля для жидкостей и газов. Барометры и манометры. Сообщающиеся сосуды. Принцип устройства гидравлического пресса. Атмосферное давление. Изменение атмосферного давления с высотой. Архимедова сила для жидкостей и газов. Условия плавания тел на поверхности жидкости. Движение жидкости по трубам. Зависимость давления жидкости от скорости ее течения.

2. Молекулярная физика. Тепловые явления.

2.1 Основы молекулярно-кинетической теории
Опытное обоснование основных положений молекулярно-кинетической теории. Диффузия. Броуновское движение. Масса и размер молекул. Число Авогадро. Количество вещества. Взаимодействие молекул. Измерение скорости молекул. Идеальный газ. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа. Температура и ее измерение. Абсолютная температурная шкала. Уравнение состояния идеального газа (уравнение Менделеева–Клапейрона). Универсальная газовая постоянная. Изотермический, изохорный и изобарный процессы.

2.2 Тепловые явления
Внутренняя энергия. Количество теплоты. Теплоемкость вещества. Работа в термодинамике. Закон сохранения энергии в тепловых процессах (первый закон термодинамики). Применение первого закона термодинамики к различным процессам. Адиабатный процесс. Необратимость тепловых процессов. Принцип действия тепловых двигателей. КПД теплового двигателя и его максимальное значение.

2.3 Жидкости и твердые тела
Испарение и конденсация. Насыщенные и ненасыщенные пары. Кипение жидкостей. Зависимость температуры кипения от давления. Влажность воздуха. Кристаллические и аморфные тела. Свойства твердых тел. Упругие деформации.

3. Основы электродинамики

3.1 Электростатика
Электризация. Электрический заряд. Взаимодействие заряженных тел. Закон Кулона. Закон сохранения электрического заряда. Электрическое поле. Напряженность электрического поля. Электрическое поле точечного заряда. Принцип суперпозиции полей. Проводники в электрическом поле. Диэлектрики в электрическом поле. Диэлектрическая проницаемость. Работа электростатического поля при перемещении заряда. Потенциал и разность потенциалов. Потенциал поля точечного заряда. Связь между напряженностью электрического поля и разностью потенциалов. Электроемкость. Конденсаторы. Емкость плоского конденсатора. Энергия электрического поля.

3.2 Законы постоянного тока
Электрический ток. Сила тока. Закон Ома для участка цепи. Сопротивление проводников. Последовательное и параллельное соединение проводников. Электродвижущая сила. Закон Ома для полной цепи. Работа и мощность тока. Электрический ток в различных средах. Электронная проводимость металлов. Зависимость сопротивления металлов от температуры. Сверхпроводимость. Электрический ток в жидкостях. Законы электролиза. Электрический ток в газах. Самостоятельный и несамостоятельный разряд. Понятие о плазме. Ток в вакууме. Электронная эмиссия. Электронно-лучевая трубка. Полупроводники. Электропроводность полупроводников и ее зависимость от температуры. Собственная и примесная проводимость полупроводников. Полупроводниковый диод. Транзистор.

3.3 Магнитное поле. Электромагнитная индукция
Магнитное взаимодействие токов. Магнитное поле. Индукция магнитного поля. Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле. Закон Ампера. Действие магнитного поля на движущийся заряд. Сила Лоренца. Магнитные свойства веществ. Магнитная проницаемость. Ферромагнетизм. Электромагнитная индукция. Магнитный поток. Закон электромагнитной индукции. Правило Ленца. Явление самоиндукции. Индуктивность. Энергия магнитного поля.

4. Колебания и волны

4.1 Механические колебания и волны
Гармонические колебания. Амплитуда, период и частота колебаний. Математический маятник. Период колебаний математического маятника. Колебания груза на пружине. Превращение энергии при гармонических колебаниях. Вынужденные колебания. Резонанс. Понятие об автоколебаниях. Распространение механических волн в упругих средах. Скорость распространения волны. Длина волны. Поперечные и продольные волны. Звуковые волны. Скорость звука. Громкость звука и высота тона.

4.2 Электромагнитные колебания и волны
Свободные электромагнитные колебания в контуре. Превращение энергии в колебательном контуре. Собственная частота колебаний в контуре. Вынужденные электрические колебания. Переменный электрический ток. Генератор переменного тока. Действующие значения силы тока и напряжения. Активное, емкостное и индуктивное сопротивления. Резонанс в электрической цепи. Трансформатор. Передача электроэнергии. Электромагнитные волны. Скорость их распространения. Излучение и прием электромагнитных волн. Принципы радиосвязи. Шкала электромагнитных волн.

4.3 Оптика
Прямолинейное распространение света. Законы отражения и преломления света. Показатель преломления. Полное отражение. Предельный угол полного отражения. Ход лучей в призме. Построение изображений в плоском зеркале. Собирающая и рассеивающая линзы. Формула тонкой линзы. Построение изображений в линзах. Фотоаппарат. Глаз. Очки. Скорость света и ее опытное определение. Дисперсия. Спектральный анализ. Интерференция света и ее применение в технике. Дифракция света. Дифракционная решетка. Поляризация света. Поперечность световых волн. Элементы специальной теории относительности Постулаты специальной теории относительности. Связь между массой и энергией. Относительность расстояний и промежутков времени.

4.4 Квантовая физика
Световые кванты Фотоэффект и его законы. Кванты света. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта. Постоянная Планка. Применение фотоэффекта в технике. Световое давление. Опыты П.Н. Лебедева.

4.5 Атом и атомное ядро
Опыт Резерфорда по рассеянию а-частиц. Ядерная модель атома. Постулаты Бора. Испускание и поглощение света атомом. Лазеры. Экспериментальные методы регистрации заряженных частиц. Радиоактивность. Альфа–, бета- и гамма–излучения. Протоны и нейтроны. Изотопы. Энергия связи атомных ядер. Ядерные реакции. Деление ядер урана. Ядерный реактор. Термоядерные реакции.

Программа «Практическая физика»

Предметные

В результате реализации программы обучающиеся будут знать:

— основные физические термины;
— принципы действия машин, приборов и технических устройств, условия их безопасного использования в повседневной жизни;
— примеры различных физических явлений.

В результате реализации программы обучающиеся будут уметь:

— анализировать ситуации практико-ориентированного характера, узнавать в них проявление изученных физических явлений или закономерностей и применять имеющиеся знания для их объяснения;
— использовать при выполнении учебных задач научно-популярную литературу о физических явлениях, справочные материалы, ресурсы Интернет.

Метапредметные

В результате реализации программы обучающиеся будут знать:

— как работать с информацией: поиск, запись, восприятие, в том числе средствами ИКТ;
— как анализировать, сравнивать, классифицировать и обобщать факты, явления и понятия;
— как организовывать учебное сотрудничество и совместную деятельность с учителем и сверстниками: определять цели, распределять функции и роли участников;
— физические модели, знаки, символы, схемы.

В результате реализации программы обучающиеся будут уметь:

— выбирать способы деятельности в соответствии с поставленной задачей и условиями её реализации;
— адекватно оценивать правильность или ошибочность выполнения учебной задачи;
— организовывать учебное сотрудничество и совместную деятельность с учителем и сверстниками: определять цели, распределять функции и роли участников;
— работать в группе: находить общее решение и разрешать конфликты на основе согласования позиций и учёта интересов.

Личностные

У обучающихся будут развиты следующие личностные качества:

— способность к эмоциональному восприятию физических объектов, задач, решений, рассуждений;
— способность продолжать изучение физики, осуществляя сознательный выбор своей индивидуальной траектории учения.

Экзамен-Технолаб

Учебные и методические издания

Диск предназначен для педагогов, использующих на уроках продукцию AFS™, студентов педагогических вузов и колледжей, а также для методистов, интересующихся современными технологиями в образовании. На диске представлены обучающие видеоматериалы. В 64 короткометражных видеороликах подробно объясняется работа с оборудованием и программным обеспечением компании Vernier Software & Technology, которые входят в продуктовую линейку AFS™.

Данное издание является переводом книги американской компании Vernier, которая в течение многих лет занимается разработкой электронного и цифрового школьного оборудования. В книге предлагается описание шести экспериментов. Эксперименты проводятся с использованием цифровых датчиков, а результаты обрабатываются и выводятся на экран компьютера. Книга поможет учителям физики в реализации требований стандартов второго поколения и формировании у школьников универсальных учебных действий и основ информационной грамотности.

Данное издание является переводом книги американской компании Vernier, которая в течение многих лет занимается разработкой электронного и цифрового школьного оборудования. В книге предлагается 40 экспериментов. Эксперименты проводятся с использованием цифровых датчиков, а результаты обрабатываются и выводятся на экран компьютера. Книга будет полезна учителям для реализации требований стандартов второго поколения и формирования у школьников универсальных учебных действий и основ информационной грамотности при преподавании предметов естественнонаучного цикла.

Данное издание является переводом книги американской компании Vernier, которая в течение многих лет занимается разработкой электронного и цифрового школьного оборудования. В книге предлагается 35 экспериментов. Эксперименты проводятся с использованием цифровых датчиков, а результаты обрабатываются и выводятся на экран компьютера. Книга поможет учителям физики в реализации требований стандартов второго поколения и формировании у школьников универсальных учебных действий и основ информационной грамотности.

В данную версию электронного издания «Учебно-методический комплекс AFS™. Физика» вошли методические пособия для учителя и учебные материалы для учащихся по урочной и внеучебной деятельности…

Изучаем тепловые явления. Физика, 8 класс: уроки, тесты, задания.

Вход

Вход

Регистрация

Начало

Новости

ТОПы

Учебные заведения

Предметы

Проверочные работы

Обновления

Переменка

Поиск по сайту

Отправить отзыв

• 
  Предметы
• 
  Физика
• 
  8 класс

1. 
   

   
   Тепловое движение. Связь температуры тела со скоростью движения молекул
   

   
   
   
   
   
   
   
   

2. 
   

   
   Внутренняя энергия. Два способа изменения внутренней энергии
   

   
   
   
   
   
   
   
   

3. 
   

   
   Виды теплопередачи
   

   
   
   
   
   
   
   
   

4. 
   

   
   Количество теплоты как физическая величина
   

   
   
   
   
   
   
   
   

5. 
   

   
   Что такое удельная теплоёмкость вещества
   

   
   
   
   
   
   
   
   

6. 
   

   
   Что такое удельная теплота сгорания топлива
   

   
   
   
   
   
   
   
   

7. 
   

   
   Закон сохранения энергии в механических и тепловых процессах
   

   
   
   
   
   
   
   
   

Отправить отзыв

Нашёл ошибку?

Сообщи нам!

Copyright © 2021 ООО ЯКласс

Контакты

Пользовательское соглашение

Особенности протекания физических явлений на Земле и в Космосе

• Участник: Терехова Екатерина Александровна
• Руководитель: Андреева Юлия Вячеславовна

Цель работы: сопоставить протекание физических явлений на Земле и в космосе.

Введение

У многих стран есть долгосрочные программы по освоению космоса. В них центральное место занимает создание орбитальных станций, так как именно с них начинается цепочка наиболее крупных этапов овладения человечеством космического пространства. Уже осуществлен полет на Луну, успешно проходят многомесячные полеты на борту межпланетных станций, автоматические аппараты побывали на Марсе и Венере, с пролетных траекторий исследовали Меркурий, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун. За последующие 20—30 лет возможности космонавтики еще более возрастут.

Многие из нас в детстве мечтали стать космонавтами, но потом задумались о более земных профессиях. Неужели отправиться в космос — это несбыточное желание? Ведь уже появились космические туристы, возможно, когда-нибудь в космос сможет полететь любой, и детской мечте суждено будет сбыться?

Но если мы полетим в космический полет, то столкнемся с тем, что длительное время придется находиться в состоянии невесомости. Известно, что для человека, привыкшего к земной тяжести, пребывание в этом состоянии становится тяжелым испытанием, и не только физическим, ведь многое в невесомости происходит совсем не так, как на Земле. В космосе проводятся уникальные астрономические и астрофизические наблюдения. Находящиеся на орбите спутники, космические автоматические станции, аппараты требуют специального обслуживания или ремонта, а некоторые отработавшие свой срок спутники необходимо ликвидировать или возвращать с орбиты на Землю для переделки.

Пишет ли в невесомости перьевая ручка? Можно ли в кабине космического корабля измерить вес с помощью пружинных или рычажных весов? Вытекает ли там вода из чайника, если его наклонить? Горит ли в невесомости свеча?

Ответы на подобные вопросы содержатся во многих разделах, изучаемых в школьном курсе физики. Выбирая тему проекта, я решила свести воедино материал по данной теме, который содержится в разных учебниках, и дать сравнительную характеристику протекания физических явлений на Земле и в космосе.

Цель работы: сопоставить протекание физических явлений на Земле и в космосе.

Задачи:

• Составить список физических явлений, ход течения которых может отличаться.
• Изучить источники (книги, интернет)
• Составить таблицу явлений

Актуальность работы: некоторые физические явления протекают по разному на Земле и в космосе, а некоторые физические явления лучше проявляются в космосе, где нет гравитации. Знание особенностей процессов может быть полезно для уроков физики.

Новизна: подобные исследования не проводились, но в 90-х на станции «Мир» был снят учебные фильм о механических явлениях

Объект: физические явления.

Предмет: сравнение физических явлений на Земле и в космосе.

1. Основные термины

Механические явления — это явления, происходящие с физическими телами при их движении относительно друг друга (обращение Земли вокруг Солнца, движение автомобилей, качание маятника).

Тепловые явления — это явления, связанные с нагреванием и охлаждением физических тел (кипение чайника, образование тумана, превращение воды в лед).

Электрические явления — это явления, возникающие при появлении, существовании, движении и взаимодействии электрических зарядов (электрический ток, молния). [1]

Показать, как происходят явления на Земле — легко, но как можно продемонстрировать те же явления в невесомости? Для этого я решила использовать фрагменты из серии фильмов «Уроки из космоса». Это очень интересные фильмы, отснятые в свое время еще на орбитальной станции «Мир». Настоящие уроки из космоса ведет летчик-космонавт, герой России Александр Серебров.

Но, к сожалению, мало кто знает про эти фильмы, поэтому еще одной из задач создания проекта была популяризация «Уроков из космоса», созданных при участии ВАКО «Союз», РКК «Энергия», РНПО «Росучприбор».

В невесомости многие явления происходят не так как на Земле. Причин этому – три. Первая: не проявляется действие силы тяжести. Можно говорить о том, что она компенсируется действием силы инерции. Второе: в невесомости не действует Архимедова сила, хотя и там закон Архимеда выполняется. И третье: очень важную роль в невесомости начинают играть силы поверхностного натяжения.

Но и в невесомости работают единые физические законы природы, которые верны как для Земли, так и для всей Вселенной.

Состояние полного отсутствия веса называется невесомостью. Невесомость, или отсутствие веса у предмета наблюдается в том случае, когда в силу каких-либо причин исчезает сила притяжения между этим предметом и опорой, или когда исчезает сама опора. простейший пример возникновения невесомости — свободное падение внутри замкнутого пространства, то есть в отсутствии воздействия силы сопротивления воздуха. Скажем падающий самолет сам по себе притягивается землей, но вот в его салоне возникает состояние невесомости, все тела тоже падают с ускорение в одну g, но это не ощущается — ведь сопротивления воздуха нет. Невесомость наблюдается в космосе, когда тело движется по орбите вокруг какого-нибудь массивного тела, планеты. Такое круговое движение можно рассматривать как постоянное падение на планету, которое не происходит благодаря круговому вращению по орбите, а сопротивление атмосферы также отсутствует. Мало того, сама Земля постоянно вращаясь по орбите падает и никак не может упасть на солнце и если бы мы не ощущали притяжение от самой планеты, мы оказались бы в невесомости относительно притяжения солнца.

Часть явлений в космосе протекает точно так же как и на Земле. Для современных технологий невесомость и вакуум не являются помехой… и даже наоборот — это предпочтительно. На Земле нельзя достичь таких высоких степеней вакуума, как в межзвездном пространстве. Вакуум нужен для защиты обрабатываемых металлов от окисления, а металлы не расплавляются, вакуум не вызывает помех движению тел.

2. Сравнение явлений и процессов

Вывод

Я сопоставила протекания физических механических явлений на Земле и в космосе. Данная работа может использоваться для составления викторин и конкурсов, для уроков физики при изучении некоторых явлений.

В ходе работы над проектом я убедилась, что в невесомости многие явления происходят не так как на Земле. Причин этому – три. Первая: не проявляется действие силы тяжести. Можно говорить о том, что она компенсируется действием силы инерции. Второе: в невесомости не действует Архимедова сила, хотя и там закон Архимеда выполняется. И третье: очень важную роль в невесомости начинают играть силы поверхностного натяжения.

Но и в невесомости работают единые физические законы природы, которые верны как для Земли, так и для всей Вселенной. Это стало главным выводом нашей работы и таблицы, которая у меня в итоге получилась.

Физика в опытах

1 год обучения

Тема 1. Вводное занятие

Физика – наука экспериментальная. Физические явления. Примеры и демонстрация физических явлений.

Практические задания

Механические явления:

Кусочек пластилина тонет в воде. (Опыт)
Подумайте, что нужно сделать, чтобы кусочек пластилина плавал в воде?

Железный гвоздь тонет в воде. (Опыт)
Почему не тонут сделанные из металла корабли, перевозящие по морю различные грузы?

Световые явления:

Отгадайте загадку. Раскрашенное коромысло через реку повисло.
Демонстрация опыта Ньютона с призмой. Наблюдение сплошного спектра с помощью спектроскопа.
Демонстрация свечения газоразрядных трубок.
Тема 2. Инструктаж по технике безопасности

Теоретический материал

Ознакомить обучающихся с правилами распорядка в кабинете физики, правилами безопасности.

Типовая инструкция по правилам безопасности труда

Будьте внимательны и дисциплинированны, точно выполняйте указания учителя.
Не приступайте к выполнению работы без разрешения учителя.
Размещайте приборы, материалы, оборудование на своём рабочем месте таким образом, чтобы исключить их падение или опрокидывание.
Перед выполнением работы внимательно изучите её содержание и ход выполнения.
При проведении опытов не допускайте предельных нагрузок измерительных приборов.
При работе с приборами из стекла соблюдайте особую осторожность.
Тема 3. Физические методы изучения природы

Теоретический материал

Эксперимент и теория в процессе познания природы. Зарождение физики. Опыт и теория в физике. Эксперимент как критерий истинности теории. Физические величины и их измерение. Прямые и косвенные измерения. Абсолютная и относительная погрешности измерений.

Моделирование явлений и объектов природы. Научные гипотезы. Физические модели. Математическое описание физических явлений.

Физические законы. Границы применимости физических теорий и законов.Причина и следствие. Законы природы.

Физическая картина мира – система представлений о природе, основанная на наиболее общих и универсальных законах физики.

Практические задания

Задание 1. Измерить длину тетради с помощью линейки и сантиметровой ленты. Оценить точность измерения в каждом случае.

Задание 2. Определить цену деления, пределы измерения, абсолютную и относительную погрешности при измерении объёма жидкости с помощью мензурки.

Задание 3. Определить цену деления, пределы измерения, абсолютную и относительную погрешности при измерении температуры воздуха с помощью термометра.

Задание 4. Определить цену деления, пределы измерения, абсолютную и относительную погрешности при измерении атмосферного давления с помощью барометра.

Задание 5.Определить абсолютную и относительную погрешности при измерении массы тела с помощью рычажных весов.

Задание 6.Определить абсолютную и относительную погрешности при измерении объёма тела с помощью мензурки.

Тема 4.Опыты по теме «Механические явления»

Практические занятия

Подготовка, выполнение и описание опытов по теме «Механические явления»:

инерция, центробежная сила, равновесие, реактивное движение, волны на поверхности воды, кристаллы, давление твёрдых тел, жидкостей и газов, атмосферное давление, выталкивающее действие воды, центр тяжести.

Тема5. Исследовательские лабораторные работы по теме «Механические явления»

Практические занятия

Подготовка, выполнение лабораторных работ:

«Изучение силы трения покоя, скольжения, качения»,

«Выяснение условий плавания тел»,

«Изучение силы Архимеда»

Тема 6. Итоговое занятие

Практические занятия

Итоговое занятие проводится в форме конференции. Обучающиеся представляют видеоотчёты, фотоотчёты о выполнении заданий для самостоятельной работы.

Физика 7 класс Механические явления | Презентация к уроку по физике (7 класс):

Слайд 1

Механические 7 класс явления

Слайд 2

Содержание 1. Движение и взаимодействие тел во время спортивных соревнований 2. Движение и взаимодействие тел в космосе 3. Движение и взаимодействие тел в быту 4. Движение и взаимодействие тел на производстве 5. Движение и взаимодействие тел в животном мире 6. Движение и взаимодействие тел в городе 7. Движение и взаимодействие тел в организме 8. Задание для закрепления 9. Тест 10. Используемые источники: литература и интернет-сайты

Слайд 3

1. Движение и взаимодействие тел во время спортивных соревнований «Содержание»

Слайд 4

2. Движение и взаимодействие тел в космосе «Содержание»

Слайд 5

3. Движение и взаимодействие тел в быту «Содержание»

Слайд 6

4. Движение и взаимодействие тел на производстве «Содержание»

Слайд 7

5. Движение и взаимодействие тел в животном мире «Содержание»

Слайд 8

6. Движение и взаимодействие тел в городе «Содержание»

Слайд 9

7. Движение и взаимодействие тел в организме «Содержание»

Слайд 10

8. Задание для закрепления 1. Катится шар. 3. Слышны раскаты грома. 5. Снег тает. 7. Звёзды мерцают. 9. Вода кипит. 11. Наступает рассвет. 13. Плывёт бревно. 15. Колеблется маятник часов. Какие явления относятся к механическим? 2. Плавится синец. 4. Холодает. 6. Плывут облака. 8. Эхо. 10. Летит голубь. 12. Сверкает молния. 14. Шелестит листва. 16. Горит электрическая лампочка. «Содержание»

Слайд 11

9. Тест 1. Относится ли к механическому явлению когда скачет мяч? а) нет б) да в) зависит от того чей мяч 2. Расстояние, пройденное телом за некоторый промежуток времени, называют: а) траектория б) пройденный путь в) метр 3. Совершают ли движение рыбы относительно земли? а) нет б) да в) они водоплавающие 4. Движется ли панцирь относительно черепахи? а) да б) нет в) зависит от возраста черепахи 5. Какую траекторию движения имеют молекулы газа? а) криволинейную б) прямолинейную в) ломанную линию «Содержание»

Слайд 12

10. Используемые источники: литература и интернет-сайты А.В. Перышкин «Физика 7 класс» А.В. Перышкин «Сборник задач по физике 7-9 классы» В.А. Волков «Поурочные разработки по физике» https:// yandex.ru/images/search?text =%D1%81%D0%BF%D0%BE%D1%80%D1%82%D0%B8%D0%B2%D0%BD%D1%8B%D0%B5%20%D1%81%D0%BE%D1%80%D0%B5%D0%B2%D0%BD%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D1%8F https:// yandex.ru/images/search?p =46&text=%D0%B4%D0%B2%D0%B8%D0%B6%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5%20%D0%B2%20%D0%BA%D0%BE%D1%81%D0%BC%D0%BE%D1%81%D0%B5 https:// yandex.ru/images/search?text =%D1%81%D0%BE%D0%B2%D1%80%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D0%B9%20%D0%B1%D1%8B%D1%82 https:// yandex.ru/images/search?p =1&text=%D0%BF%D1%80%D0%BE%D0%B8%D0%B7%D0%B2%D0%BE%D0%B4%D1%81%D1%82%D0%B2%D0%BE https:// yandex.ru/images/search?p =14&text=%D0%B6%D0%B8%D0%B2%D0%BE%D1%82%D0%BD%D1%8B%D0%B9%20%D0%BC%D0%B8%D1%80 https://yandex.ru/images/search?p=31&text=%D0%B4%D0%B2%D0%B8%D0%B6%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5%20%D0%B2%20%D0%BE%D1%80%D0%B3%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%B7%D0%BC%D0%B5 http://tepka.ru/fizika_7/1.3.html «Содержание»

Mechanical Phenomenon — обзор

6 Наименьшее, лучшее и другие варианты

Одним из важнейших принципов классической механики является PLA. Это часть долгой истории поиска основных принципов и их соответствующей математической формулировки. ¹³ Как уже подчеркивал Планк, его применимость не ограничивается только механическими явлениями, но применима также к тепловым и электродинамическим событиям (см. [9]).

Самая популярная математическая формулировка PLA была найдена сэром Уильямом Роуэном Гамильтоном с помощью вариационного исчисления.

Он поднял вопрос, как отличить оптимальную траекторию движущегося тела от бесконечного множества (виртуальных) других, и решил эту проблему, оптимизируя интеграл по лагранжиану тела

(18) ∫t1t2L (r˙ (t), undefinedr (t)) dt → opt.!

с лагранжианом L , определяемым как разность между кинетической энергией и потенциалом объемных сил или — в терминах, используемых здесь — как преобразование Лежандра функции Гамильтона H

(19) L = H −v⋅P.

На языке вариационного исчисления это читается как

(20) δ∫t1t2L (r˙ (t), r (t)) dt = ∫t1t2δL (r˙ (t), r (t)) dt = undefined0,

и называется принципом Гамильтона (см. [10]).

В свете соображений предыдущих разделов и с учетом замечания Планка кажется необходимым вернуться к вопросу о том, какое количество должно быть оптимизировано.

Анализ уравнения. (19) можно понять, что лагранжиан L является разницей между H и произведением сохраненной величины P и связанной с ней интенсивной переменной v .Другими словами: H уменьшается из-за формы энергии величины P , для которой существует условие зацепления (то есть уравнение (17) ₁ . В классической механике, где существуют только материальные точки и силы H обозначает полную энергию системы n -многих частиц.

Теперь рассмотрим систему тело-поле из раздела 5 и ее преобразованную по Лежандру энергию E с соответствующим полным дифференциалом

(21) dE = v⋅dP − F⋅dr + Ω⋅dL − M⋅dα + T * dS − p * dV + μk * dNk + UdQ − I * dΞ.

По аналогии с лагранжианом (19) очевидно, что энергия E должна быть уменьшена формами энергии P , L и Q , для которых существуют условия зацепления, т.е. и угловой момент, а также заряд. Это делается с помощью соответствующего трехкратного преобразования Лежандра

(22) E [P, L, Q]: = E − ∂E∂P⋅P − ∂E∂L⋅L − ∂E∂QQ = E − v ⋅P − Ω⋅L − UQ.

Очевидно, E ^{[ P , L , Q ]} является расширением классического лагранжиана.[P, L, Q] (r, r˙, α, α˙, Ξ, Ξ˙, S, V, Nk).

Эта функция намного сложнее лагранжиана L и включает переменные, необходимые для описания необратимых явлений реальных процессов. Из его списка переменных ясно, что мы должны учитывать не только вектор положения и скорость, но и угловое положение и скорость, а также магнитный поток и его производную по времени, энтропию, объем и количество частиц.

Использование энергоподобной функции (24) гарантирует совместимость пространства Гиббса и пространства параметров, которое впервые было вызвано использованием условий зацепления (9) и (10).

Следует сделать несколько замечаний относительно природы E ^{[ P , L , Q ]} : Его полный дифференциал (23) содержит последние три формы энергии, составляющие общую энергию E * рассматриваемой системы — (3) — родовыми моделями S , V и N _k . Все остальные изначальные формы энергии исчезли в результате преобразований Лежандра. Две из этих последних трех форм энергии, относящиеся к родовым моделям S и N _k вместе с их сопряженными T _* и μ _* , могут быть представлены соответствующими балансами, каждая из которых приводит к плотности потока. и термин «плотность производства».Оба типа терминов проявляют чистые эффекты диссипации. Кроме того, другие условия продукта уравнения. (23) обозначают диссипативные эффекты, которые могут быть объединены алгебраическими манипуляциями таким образом, что они возникают как части двух балансов импульса системы для линейного и углового момента. [P, L, Q] (r , r˙, α, α˙, Ξ, Ξ˙, S, V, Nk) dt = 0.

Это приводит к новой далеко идущей интерпретации физического смысла PLA:

«Без дополнительных ограничений любой необратимый процесс в природе протекает таким образом, что диссипация во время процесса сводится к минимуму». ¹⁵

Исходя из этого вывода, знаменитый тезис Лейбница может быть переведен с чисто механистической картины мира на реалистичную: поскольку необратимость и диссипация неизбежны в реальных процессах, лучший способ — это запустить их с наименьшими затратами. диссипация.Поскольку эта интерпретация не ограничивается стационарными процессами, она обобщает утверждение Пригожина о том, что для стационарных необратимых процессов производство энтропии минимально (см. [11]).

Следуя классической цепочке мысли, будут исследованы характеристики преобразования этого интеграла действия, чтобы найти симметрии и их свойства. С этой целью координаты пространства, времени, углового положения и магнитного потока теперь могут подвергаться непрерывным преобразованиям с r -многими параметрами вида

(27) t¯: = Y ^ t (r, α, , T, ϖ), r¯i: = Y ^ ri (r, α, Ξ, t, ϖ), α¯i: = Y ^ αi (r, α, Ξ, t, ϖ), Ξ¯: = Y ^ Ξ (r, α, Ξ, t, ϖ),

где вектор ϖ содержит r — множество параметров преобразования.[P, L, Q] (r, r˙, α, α˙, Ξ, Ξ˙, S, V, Nk) = ϖvdϑvdt (r, α, Ξ, S, V, Nk) + O (ϖ).

Для дальнейшего изучения функции преобразования разложены в ряды около ϖ = 0

(30) t¯ = t + ϖvτv (r, α, Ξ, t, ϖ) + HOT (ϖ), r¯i (t¯) = ri (t) + ϖvξvi (r, α, Ξ, t, ϖ) + HOT (ϖ), α¯i (t¯) = αi (t) + ϖvλvi (r, α,, t , ϖ) + HOT (ϖ), Ξ¯ (t¯) = Ξ (t) + ϖvηv (r, α, Ξ, t, ϖ) + HOT (ϖ),

с бесконечно малыми генераторами, определенными как

( 31) τv (r, α, Ξ, t, ϖ): = ∂Yt∂ϖv (r, α, Ξ, t, ϖ) | ϖ = 0ξvi (r, α, Ξ, t, ϖ): = ∂Yri ∂ϖv (r, α, Ξ, t, ϖ) | ϖ = 0λvi (r, α, Ξ, t, ϖ): = ∂Yαi∂ϖv (r, α, Ξ, t, ϖ) | ϖ = 0ηv ( r, α, Ξ, t, ϖ): = ∂Yt∂ϖv (r, α, Ξ, t, ϖ) | ϖ = 0.

Следующие шаги соответствуют стандартной процедуре вывода знаменитой теоремы Эмми Нётер:

•

Условие инвариантности (29) будет дифференцироваться относительно параметров преобразования, чтобы получить соотношения, обеспечивающие инвариантность; разведки на ϖ = 0 будет достаточно.

•

Выведение необходимых дифференциалов, включение в условие инвариантности и

•

Исследование необходимого условия минимума интеграла действия.

После долгих алгебраических манипуляций мы приходим к расширенному фундаментальному тождеству инвариантности

(32) [∂E [P, L, Q] ∂ri − ddt∂E [P, L, Q] ∂r˙ i + T * ∂S∂ri − p * ∂V∂ri + μ * ∂Nk∂ri] ξvi + [∂E [P, L, Q] ∂αi − ddt∂E [P, L, Q] ∂α˙ i + T * ∂S∂αi − p * ∂V∂αi + μ * ∂Nk∂αi] λvi + [∂E [P, L, Q] ∂Ξi − ddt∂E [P, L, Q] ∂Ξ˙ i + T * ∂S∂Ξi − p * ∂V∂Ξi + μ * ∂Nk∂Ξi] ηvi− [∂E [P, L, Q] ∂ri − ddt∂E [P, L, Q] ∂r ˙i + T * ∂S∂ri − p * ∂V∂ri + μ * ∂Nk∂ri] r˙iτv− [∂E [P, L, Q] ∂αi − ddt∂E [P, L, Q ] ∂α˙i + T * ∂S∂αi − p * ∂V∂αi + μ * ∂Nk∂αi] α˙iτv− [∂E [P, L, Q] ∂Ξi − ddt∂E [P, L, Q] ∂Ξ˙i + T * ∂S∂Ξi − p * ∂V∂Ξi + μ * ∂Nk∂Ξi] Ξ˙τv + ddt {[E [P, L, Q] −∂E [P , L, Q] ∂r˙ir˙i − ∂E [P, L, Q] ∂α˙iα˙i − ∂E [P, L, Q] ∂Ξ˙iΞ˙] τv + ∂E [P, L , Q] ∂r˙iξvi + ∂E [P, L, Q] ∂α˙iλvi + ∂E [P, L, Q] ∂Ξ˙ηv − ϑv} = 0.

Вместе с сокращением

(33) ∂E [P, L, Q] ∂z − ddt∂E [P, L, Q] ∂z˙ + T * ∂S∂z − p * ∂V∂z + μ * ∂Nk∂z =: EEL, z, z∈ {ri, αi, Ξ},

и обратное преобразование (22) окончательно инвариантность Нётер получается

(34) EEL, ri (ξvi − r ˙iτv) + EEL, αi (λvi − α˙iτv) + EEL, Ξ (ηi − Ξ˙τv) + ddt (Eτv − Piξvi − Liλvi − Qηv − ϑv) = 0.

Чтобы выполнить необходимые условия ПЛА для минимума интеграла действия, уравнения Эйлера – Лагранжа соответствующей вариационной задачи должны тождественно обращаться в нуль.Как можно легко вычислить из уравнения. (26) выражения E _{EL , z} из сокращения (33) дают рассматриваемые уравнения

(35) EEL, z =! 0; z∈ {ri, αi, Ξ}.

Это приводит к расширенной версии знаменитой теоремы, которую немецкий математик Эмми Нётер дал в 1918 году.

(36) Eτv − Piξvi − Liλvi − Qηv − ϑv = const.

Для вывода окончательных законов сохранения имеет смысл распределить скалярные калибровочные функции согласно

(37) ϑvP + ϑvL + ϑvQ = ϑv.

Затем, переупорядочивая уравнение. (36) приводит к тождеству

(38) Eτv — (- Piξvi − ϑvP) + (- Liλvi − ϑvL) + (- Qηv − ϑvQ) −const. = 0.

Для получения законов сохранения сначала указывается роль калибровочных функций путем отнесения их к соответствующим генерикам полей

(39) ϑvP: = Pifieldξvi, ϑvL: = Lifieldλvi, ϑvQ: = Qem − fieldηv,

которые эквивалентны утверждению, что соответствующие «поля» существуют.

Поскольку P , L и Q независимы, как и генераторы бесконечно малых, четыре скобки можно рассматривать независимо; это достигается установкой трех из четырех бесконечно малых генераторов на ноль за один раз.Тогда получаем четыре уравнения

(40) Eτv = const.

(41) −ξvi (Pi + Pifield) = const. − λvi (Li + Lifield) = const.i = 1,2,3. − ηv (Q + Qem − field) = const.

Первый закон сохранения теперь под рукой. Для τ _v = 1, т.е. аффинного преобразования временной координаты,

(42) E = const.

сразу следует. Уравнение (42) дает поразительный результат:

(1)

Даже для необратимых процессов можно показать сохранение трехкратной преобразованной по Лежандру энергии E .

(2)

Сохраняемое свойство напрямую связано с использованием аффинной временной координаты, то есть с координатой, начало которой может быть сдвинуто произвольно.

Положение 1 указывает на определенное ограничение: сохранение энергии в этом контексте является только локальным свойством и не может быть обобщено безоговорочно. Таким образом, произвольность происхождения времени препятствует использованию закона сохранения энергии (в этой локальной форме) в связи с нелокальными явлениями. ¹⁶

Из ур. (43) получаем три дополнительных закона сохранения

(43) Pi + Pifield = const.Li + Lifield = const.i = 1,2,3,

Q + Qem − field = const.

, если соответствующий инфинитезимальный генератор является константой, т.е. соответствующее преобразование является аффинным.

Интерпретация уравнения. (43) совершенно ясно: линейный момент и угловой момент являются сохраняющимися типами системы, вложенной в заданное поле инерции. Другими словами: сохранение осуществляется через поле инерции . Любое изменение линейного и углового момента тела должно быть компенсировано соответствующим изменением инерционного поля. То же самое касается сохранения заряда. Здесь электромагнитное поле — двойник тела. Сохранение количества движения связано с аффинными пространственными координатами; сохранение углового момента требует аффинной угловой ориентации системы координат. Для сохранения заряда нулевую точку магнитного потока можно выбрать произвольно.

Относительно этих результатов требуется важный комментарий: с помощью преобразования Лежандра была построена обобщенная функция Лагранжа L путем вычитания из (сохраненной) энергии энергетических форм некоторых обобщений, которые считаются подходящими для построения сети адекватные координаты пространства параметров. Путем длительной математической процедуры была получена теорема, доказывающая сохранение именно тех генериков, которые использовались для построения.

Подтверждено только то, что было вставлено в качестве предположения?

Ответ на этот вопрос становится довольно ясным, если внимательно посмотреть на результат PLA в связи с расширенной версией теоремы Нётер: отправная точка, функция L , определяется с помощью GFD и AT, соответственно.По этой причине никакие консервативные количества не использовались для определения L априори.

PLA, наряду с теоремой Нётер, является инструментом, позволяющим сделать некоторые обобщения консервативными, вытекающими из принципа оптимизации путем математического построения. Таким образом, можно избежать обычного введения консервативных качеств традиционной метафизики. Кроме того, математическая процедура предоставляет инструкции, как выбрать правильные параметры проекции, то есть координаты для пространства и времени и другие.Это основной результат PLA в связи с альтернативной теорией.

Пространство и время являются результатом выбора назначенных родовых типов и полного набора расширенных переменных. Последние являются настоящими примитивами, т. Е. Неприводимыми элементами теории. Принцип Каллена открывает возможность определить этот набор и идентифицировать сохраняемые количества. На втором этапе правильные координаты проекции могут быть вычислены с помощью PLA и теоремы Нётер. Таким образом, в отличие от опыта и исторического развития, экстенсивные переменные являются первичными категориями, в то время как пространство и время — просто условности, вытекающие из расчетов.

2: Применение моделей к механическим явлениям

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

Без заголовков

В этой главе мы продолжим работу с моделью Energy-Interaction . Мы добавляем все виды механических взаимодействий к тепловым взаимодействиям, которые мы рассматривали в главе 1.(Примечание: термин «механическое» в фазе «механические взаимодействия» обычно используется для обозначения всего, кроме теплового. Поскольку модель энергетического взаимодействия буквально применяется ко всем видам взаимодействия , с которыми когда-либо сталкивались ученые, мы мы лишь слегка коснемся области применения этой мощной модели. Однако мы уделим некоторое внимание одной области применения, которая часто встречается во многих явлениях — вибрируют все виды объектов, от атомов и молекул до мостов и небоскребов. , то есть они двигаются вперед и назад или колеблются очень предсказуемым образом.

• 2.1: Куда мы направляемся?

  В этой второй главе мы продолжаем работать с моделью взаимодействия энергии. Мы добавляем все виды механических взаимодействий к тепловым взаимодействиям, которые мы рассматривали в главе 1. Термин «механический» обычно используется для обозначения всего, кроме теплового. В этой главе мы представляем вводную модель осциллятора массы и пружины как приложение модели взаимодействия энергии. Модель пружинно-массового осциллятора также будет играть важную роль в главе 3 для модели частиц материи.

• 2.2: Сила

  В главе 1 мы сосредоточились на передаче энергии за счет тепла. В этой главе мы сосредоточимся на передаче энергии в результате работы. Чтобы понять работу, нам нужно понять основы силы.

• 2.3: Работа

  Мы готовы осмыслить идею работы как передачи энергии от одной физической системы к другой или от одного объекта к другому.

• 2.4: Механическая энергия

  Механическая энергия — это энергия, соответствующая скорости и положению объектов. Мы рассмотрим, как модель взаимодействия энергии применяется к объектам, которые меняют скорость и положение. Мы также рассмотрим примеры преобразования механической энергии во внутреннюю.

• 2.5: Осциллятор пружина-масса

  В этом разделе описывается потенциальная энергия для системы пружина-масса.

• 2.6: График энергий

  Мы проиллюстрируем сохранение энергии путем нанесения значений энергии в диапазоне интервала.

• 2.7: Сила и потенциальная энергия

  Представлена ​​математическая связь между силой и потенциальной энергией.

• 2.8: Оглядываясь назад и вперед

Что такое квантовая механика? Квантовая физика: определение, объяснение

Квантовая механика — это раздел физики, относящийся к очень малому.

Это приводит к очень странным выводам о физическом мире. В масштабе атомов и электронов многие уравнения классической механики, описывающие движение вещей с обычными размерами и скоростями, перестают быть полезными. В классической механике объекты существуют в определенном месте в определенное время. Однако в квантовой механике объекты вместо этого существуют в тумане вероятностей; у них есть определенный шанс оказаться в точке A, другой шанс оказаться в точке B и так далее.

Три революционных принципа

Квантовая механика (КМ) развивалась на протяжении многих десятилетий, начиная с набора спорных математических объяснений экспериментов, которые математика классической механики не могла объяснить. Это началось на рубеже 20-го века, примерно в то же время, когда Альберт Эйнштейн опубликовал свою теорию относительности, отдельную математическую революцию в физике, описывающую движение вещей на высоких скоростях. Однако, в отличие от теории относительности, происхождение КМ нельзя приписать одному ученому.Скорее, несколько ученых внесли свой вклад в основу трех революционных принципов, которые постепенно получили признание и экспериментальную проверку в период с 1900 по 1930 год. Это:

Квантованные свойства : Определенные свойства, такие как положение, скорость и цвет, могут иногда встречаться только в конкретные, установленные суммы, очень похожие на циферблат, который «щелкает» от номера к номеру. Это поставило под сомнение фундаментальное предположение классической механики, согласно которому такие свойства должны существовать в гладком непрерывном спектре.Чтобы описать идею о том, что некоторые свойства «щелкают», как циферблат с определенными настройками, ученые придумали слово «квантованный».

Частицы света : Иногда свет может вести себя как частица. Первоначально это было встречено резкой критикой, поскольку противоречило 200-летним экспериментам, показавшим, что свет ведет себя как волна; очень похоже на рябь на поверхности спокойного озера. Свет ведет себя аналогичным образом в том смысле, что он отражается от стен и изгибается по углам, а гребни и впадины волны могут складываться или сокращаться.Добавленные гребни волн приводят к более яркому свету, а волны, которые нейтрализуют, создают темноту. Источник света можно представить себе как шар на палке, который ритмично опускают в центр озера. Излучаемый цвет соответствует расстоянию между гребнями, которое определяется скоростью ритма мяча.

Волны материи : Материя также может вести себя как волна. Это противоречит примерно 30-летним экспериментам, показывающим, что материя (например, электроны) существует в виде частиц.

Квантованные свойства?

В 1900 году немецкий физик Макс Планк попытался объяснить распределение цветов, излучаемых по спектру при свечении раскаленных докрасна и раскаленных добела объектов, таких как нити лампочек. Придумывая физический смысл уравнения, которое он вывел для описания этого распределения, Планк понял, что оно подразумевает, что испускаются комбинации только определенных цветов (хотя и большого количества), в частности тех, которые являются целыми числами, кратными некоторому базовому значению.Каким-то образом цвета были квантованы! Это было неожиданно, поскольку считалось, что свет действует как волна, а это означает, что значения цвета должны быть непрерывным спектром. Что может запрещать атомам создавать цвета между этими кратными целыми числами? Это казалось настолько странным, что Планк считал квантование не более чем математическим трюком. Согласно Хельге Крагу в своей статье 2000 года в журнале Physics World «Макс Планк, упорный революционер», «Если в декабре 1900 года в физике произошла революция, казалось, никто этого не заметил.Планк не был исключением… »

Уравнение Планка также содержало число, которое позже станет очень важным для будущего развития КМ; сегодня оно известно как« Постоянная Планка ».

Квантование помогло объяснить другие загадки физики. Эйнштейн использовал гипотезу квантования Планка, чтобы объяснить, почему температура твердого тела изменилась на разные величины, если вы поместили такое же количество тепла в материал, но изменили начальную температуру.

С начала 1800-х годов наука о спектроскопии показала, что разные элементы излучают и поглощают свет определенных цветов, называемых «спектральными линиями».«Хотя спектроскопия была надежным методом определения элементов, содержащихся в объектах, таких как далекие звезды, ученые были озадачены тем, что каждый элемент вообще дает эти определенные линии. В 1888 году Йоханнес Ридберг вывел уравнение, описывающее спектральные характеристики. линии, испускаемые водородом, хотя никто не мог объяснить, почему это уравнение работает. Это изменилось в 1913 году, когда Нильс Бор применил гипотезу Планка о квантовании к «планетарной» модели атома Эрнеста Резерфорда 1911 года, которая постулировала, что электроны вращаются вокруг ядра так же, как и планеты вращается вокруг Солнца.Согласно Physics 2000 (сайт Университета Колорадо), Бор предположил, что электроны ограничены «особыми» орбитами вокруг ядра атома. Они могли «прыгать» между специальными орбитами, и энергия, производимая прыжком, вызвала свет определенных цветов, наблюдаемых в виде спектральных линий. Хотя квантованные свойства были изобретены как простой математический трюк, они объяснили так много, что стали основополагающим принципом QM.

Частицы света?

В 1905 году Эйнштейн опубликовал статью «Об эвристической точке зрения на излучение и преобразование света», в которой он представил свет, движущийся не как волну, а как своего рода «кванты энергии».Эйнштейн предположил, что этот пакет энергии может «поглощаться или генерироваться только целиком», в частности, когда атом «прыгает» между квантованными частотами колебаний. Это также применимо, как будет показано несколько лет спустя, когда электрон «скачки» между квантованными орбитами. Согласно этой модели, «кванты энергии» Эйнштейна содержали разность энергий скачка; при делении на постоянную Планка эта разность энергий определяла цвет света, переносимого этими квантами. Представляя свет, Эйнштейн предложил взглянуть на поведение девяти различных явлений, включая определенные цвета, которые, по описанию Планка, испускаются нитью накаливания лампочки.Он также объяснил, как определенные цвета света могут выбрасывать электроны с металлических поверхностей — явление, известное как «фотоэлектрический эффект». Однако Эйнштейн не был полностью оправдан в своем стремлении к этому, сказал Стивен Классен, доцент физики в Университете Виннипега. В статье 2008 года «Фотоэлектрический эффект: реабилитация истории для физического класса» Классен утверждает, что кванты энергии Эйнштейна не являются необходимыми для объяснения всех этих девяти явлений. Некоторые математические трактовки света как волны по-прежнему способны описывать как определенные цвета, которые, как описал Планк, излучаются нитью накаливания лампочки, так и фотоэлектрический эффект.Действительно, в спорном присуждении Эйнштейну Нобелевской премии 1921 года Нобелевский комитет только признал «его открытие закона фотоэлектрического эффекта», которое конкретно не основывалось на понятии квантов энергии.

Примерно через два десятилетия после статьи Эйнштейна термин «фотон» получил широкое распространение для описания квантов энергии благодаря работе Артура Комптона 1923 года, который показал, что свет, рассеянный электронным лучом, меняет цвет. Это показало, что частицы света (фотоны) действительно сталкивались с частицами материи (электронами), что подтвердило гипотезу Эйнштейна.К настоящему времени стало ясно, что свет может вести себя и как волна, и как частица, что положило «дуальность волна-частица» света в основу КМ.

Волны материи?

С момента открытия электрона в 1896 году постепенно накапливались доказательства того, что вся материя существовала в форме частиц. Тем не менее, демонстрация дуальности света волна-частица заставила ученых задаться вопросом, может ли материя действовать только только как частицы. Возможно, дуализм волна-частица может звучать справедливо и для материи? Первым ученым, добившимся существенного прогресса в этом рассуждении, был французский физик Луи де Бройль.В 1924 году де Бройль использовал уравнения специальной теории относительности Эйнштейна, чтобы показать, что частицы могут иметь волновые характеристики и что волны могут проявлять характеристики, подобные частицам. Затем, в 1925 году, два ученых, работая независимо и используя разные направления математического мышления, применили рассуждения де Бройля, чтобы объяснить, как электроны вращаются в атомах (явление, которое было необъяснимо с помощью уравнений классической механики). В Германии физик Вернер Гейзенберг (вместе с Максом Борном и Паскуалем Джорданом) добился этого, разработав «матричную механику».Австрийский физик Эрвин Шредингер разработал аналогичную теорию, названную «волновой механикой». В 1926 году Шредингер показал, что эти два подхода эквивалентны (хотя швейцарский физик Вольфганг Паули отправил Джордану неопубликованный результат, показывающий, что матричная механика является более полной).

Гейзенберг -Модель Шредингера атома, в которой каждый электрон действует как волна (иногда называемая «облаком») вокруг ядра атома, заменила модель Резерфорда-Бора. Одним из условий новой модели было то, что концы волна, которая образует электрон, должна встретиться.В «Квантовой механике в химии, 3-е изд.» (W.A. Benjamin, 1981) Мелвин Ханна пишет: «Введение граничных условий ограничило энергию дискретными значениями». Следствием этого условия является то, что разрешено только целое количество гребней и впадин, что объясняет, почему некоторые свойства квантованы. В модели атома Гейзенберга-Шредингера электроны подчиняются «волновой функции» и занимают «орбитали», а не орбиты. В отличие от круговых орбит модели Резерфорда-Бора, атомные орбитали имеют множество форм, от сфер до гантелей и ромашек.

В 1927 году Уолтер Хайтлер и Фриц Лондон продолжили развитие волновой механики, чтобы показать, как атомные орбитали могут объединяться с образованием молекулярных орбиталей, эффективно показывая, почему атомы связываются друг с другом, образуя молекулы. Это была еще одна проблема, которую нельзя было решить с помощью математики классической механики. Эти открытия дали начало области «квантовой химии».

Принцип неопределенности

Также в 1927 году Гейзенберг внес еще один важный вклад в квантовую физику.Он рассудил, что, поскольку материя действует как волны, некоторые свойства, такие как положение и скорость электрона, являются «дополнительными», то есть существует предел (связанный с постоянной Планка) того, насколько хорошо может быть известна точность каждого свойства. В соответствии с так называемым «принципом неопределенности Гейзенберга» было рассмотрено, что чем точнее известно положение электрона, тем менее точно может быть известна его скорость, и наоборот. Этот принцип неопределенности применим и к объектам повседневного размера, но он не заметен, потому что неточность чрезвычайно мала.По словам Дэйва Славена из Морнингсайд-колледжа (Су-Сити, штат Айова), если скорость бейсбольного мяча известна с точностью до 0,1 мили в час, максимальная точность, с которой можно узнать положение мяча, составляет 0,000000000000000000000000000008 миллиметров.

Вперед

Принципы квантования, дуальности волна-частица и принцип неопределенности открыли новую эру для QM. В 1927 году Поль Дирак применил квантовое понимание электрических и магнитных полей, чтобы дать толчок к изучению «квантовой теории поля» (QFT), которая рассматривала частицы (такие как фотоны и электроны) как возбужденные состояния основного физического поля.Работа в QFT продолжалась десять лет, пока ученые не столкнулись с препятствием: многие уравнения в QFT перестали иметь физический смысл, потому что они давали результаты бесконечности. После десятилетия застоя в 1947 году Ганс Бете совершил прорыв, применив технику, названную «перенормировкой». Здесь Бете понял, что все бесконечные результаты связаны с двумя явлениями (в частности, «собственной энергией электрона» и «поляризацией вакуума»), так что наблюдаемые значения массы электрона и заряда электрона могут быть использованы для исчезновения всех бесконечностей.

С момента открытия перенормировки КТП послужила основой для развития квантовых теорий о четырех фундаментальных силах природы: 1) электромагнетизм, 2) слабое ядерное взаимодействие, 3) сильное ядерное взаимодействие и 4) гравитация. Первым озарением, полученным с помощью QFT, было квантовое описание электромагнетизма с помощью «квантовой электродинамики» (QED), которая добилась успехов в конце 1940-х — начале 1950-х годов. Затем было квантовое описание слабого ядерного взаимодействия, которое было объединено с электромагнетизмом, чтобы построить «теорию электрослабого взаимодействия» (EWT) на протяжении 1960-х годов.Наконец, в 1960-х и 1970-х годах пришла квантовая трактовка сильного ядерного взаимодействия с использованием «квантовой хромодинамики» (КХД). Теории QED, EWT и QCD вместе составляют основу Стандартной модели физики элементарных частиц. К сожалению, КТП еще предстоит создать квантовую теорию гравитации. Эти поиски продолжаются и сегодня в исследованиях теории струн и петлевой квантовой гравитации.

Роберт Кулман — научный сотрудник Университета Висконсин-Мэдисон, защитив докторскую диссертацию. в химическом машиностроении.Он пишет о математике, науке и о том, как они взаимодействуют с историей. Следуйте за Робертом @PrimeViridian . Следуйте за нами @LiveScience , Facebook и Google+ .

Дополнительные ресурсы

Самый быстрый словарь в мире: Vocabulary.com

Механическое объяснение

Хотя историки науки определили общую программу так называемого механического объяснения, начиная с Галилея (если не раньше), важно понять исторически специфическое значение механического объяснения для физики девятнадцатого века.В то время физики стремились объяснить физические явления с точки зрения структуры и законов движения механической системы. Объяснение невесомых факторов (тепла, света, электричества и магнетизма) считалось неполным, если оно не было представлено в терминах механики твердых, упругих или жидких тел. В девятнадцатом веке многочисленные приложения механики к широкому кругу явлений и развитие обобщенного принципа сохранения энергии вселяли надежду на то, что все природные явления в конечном итоге могут быть представлены в терминах механических величин.Достижение этой редукции стало явной целью многих физиков девятнадцатого века.

Более того, в Британии новое осознание взаимосвязи между физическими и математическими моделями породило двусмысленность в отношении статуса теорий поля, что имело огромное значение для теорий действия на расстоянии, предпочитаемых на континенте. Поэтому неудивительно, что связь моделей с физической реальностью вызвала глубокую озабоченность физиков девятнадцатого века. В то время механическое объяснение предполагало онтологию движущихся материальных частиц как субстрат, лежащий в основе физической реальности.

В настоящее время можно выделить четыре смысла механического объяснения:

1. как теоретическая структура Вселенной, основанная на конфигурации и движении точечных частиц материи и сил, действующих между ними
2. как постулирование механических моделей, которые делали явления понятными определенным образом — как аналог паровых двигателей и т. Д.
3. как способ избежать того, что считалось спекуляциями о действиях на расстоянии
4. как способ избежать спекуляций о конечной природе материи.

Те, кто использовал механическое объяснение таким последним способом, обратились к абстрактному формализму лагранжевой аналитической динамики, чтобы показать невозможность создания уникальной механической модели любого явления. Уравнения движения, полученные с помощью лагранжевой аналитической динамики, считались независимыми от какой-либо основной структуры материальной вселенной. Хотя степень, в которой даже последовательные лагранжиане (такие как Карл Фридрих Гаусс и Леонард Эйлер) тайно придерживались принципов механического объяснения, безусловно, спорна, более важным моментом является то, что таксономия невесомых факторов, разработанная после Ньютона, к концу утратила свою актуальность. девятнадцатого века.Все явления, которые в начале девятнадцатого века были связаны с невесомыми, к 1900 году превратились в вопросы материи, энергии, силы и движения.

Викторианский

Интернет

Наука

a href = «physintro.html»>

Физика

Последнее изменение 2 апреля 2002 г.

Введение в квантовую механику

Квантовая механика — это физическая наука, изучающая поведение материи и энергии в масштабе атомов и субатомных частиц / волн.

Это также составляет основу современного понимания того, как можно анализировать и объяснять очень большие объекты, такие как звезды и галактики, и космологические события, такие как Большой взрыв.

Квантовая механика является основой нескольких смежных дисциплин, включая нанотехнологию, физику конденсированного состояния, квантовую химию, структурную биологию, физику элементарных частиц и электронику.

Термин «квантовая механика» впервые был введен Максом Борном в 1924 году.

Признание квантовой механики общим физическим сообществом связано с ее точным предсказанием физического поведения систем, включая системы, в которых ньютоновская механика не работает.

Даже общая теория относительности ограничена — в отличие от квантовой механики — для описания систем в атомном масштабе или меньше, при очень низких или очень высоких энергиях или при самых низких температурах.

За столетие экспериментов и прикладных наук квантовая теория оказалась очень успешной и практичной.

Основы квантовой механики восходят к началу 1800-х годов, но настоящее начало квантовой механики относится к работе Макса Планка в 1900 году.

Альберт Эйнштейн и Нильс Бор вскоре внесли важный вклад в то, что сейчас называют «старой квантовой теорией».

Однако только в 1924 году появилась более полная картина с гипотезой Луи де Бройля о материальных волнах, и истинная важность квантовой механики стала очевидной.

Некоторыми из наиболее выдающихся ученых, которые впоследствии в середине 1920-х годов внесли свой вклад в то, что сейчас называется «новой квантовой механикой» или «новой физикой», были Макс Борн, Пол Дирак, Вернер Гейзенберг, Вольфганг Паули и Эрвин Шредингер.

Позже эта область была расширена за счет работ Джулиана Швингера, Син-Итиро Томонага и Ричарда Фейнмана по развитию квантовой электродинамики в 1947 году и Мюррея Гелл-Манна, в частности, по развитию квантовой хромодинамики.

Интерференция, которая создает цветные полосы на пузырьках, не может быть объяснена моделью, которая изображает свет как частицу.

Это можно объяснить с помощью модели, которая изображает это как волну.

На рисунке показаны синусоидальные волны, напоминающие волны на поверхности воды, отражающиеся от двух поверхностей пленки разной ширины, но такое изображение волновой природы света является лишь грубой аналогией.

Ранние исследователи разошлись в своих объяснениях фундаментальной природы того, что мы сейчас называем электромагнитным излучением.

Некоторые утверждали, что свет и другие частоты электромагнитного излучения состоят из частиц, в то время как другие утверждали, что электромагнитное излучение является волновым явлением.

В классической физике эти идеи противоречат друг другу.

С первых дней существования КМ ученые признали, что ни одна идея сама по себе не может объяснить электромагнитное излучение.

Несмотря на успех квантовой механики, в ней есть некоторые противоречивые элементы.

Например, поведение микроскопических объектов, описываемое в квантовой механике, очень отличается от нашего повседневного опыта, что может вызвать некоторую степень недоверия.

В настоящее время признано, что большая часть классической физики состоит из частных случаев теории квантовой физики и / или теории относительности.

Дирак применил теорию относительности к квантовой физике, чтобы она могла должным образом иметь дело с событиями, происходящими со скоростью, составляющей значительную долю скорости света.

Однако классическая физика также имеет дело с массовым притяжением (гравитацией), и никто еще не смог объединить гравитацию в единую теорию с релятивизированной квантовой теорией.

3 новых квантовых явления | Физика конденсированных сред и материалов: фундаментальные исследования для технологий будущего

стр. 143

Приложение тока создает движущую силу, которая толкает вихри в сторону, что приводит к рассеянию энергии. Естественно возникающий или искусственно созданный беспорядок создает случайные ловушки, которые имеют тенденцию препятствовать движению вихрей.Один из глубоких вопросов об этой случайной статистической механической системе заключается в том, идеально ли закреплены вихри в пределе слабой движущей силы. То есть действительно ли удельное сопротивление линейного отклика действительно равно нулю при любой конечной температуре? Говоря проще, действительно ли сверхпроводник в магнитном поле является сверхпроводником?

Многие годы считалось, что ответ на этот вопрос отрицательный. Было известно, что скорость «ползучести» вихря становится чрезвычайно низкой при низких температурах, но считалось, что он активируется термически, давая никогда не исчезающее удельное сопротивление в форме ~ ~ e-e / kBT.Физическая картина заключается в том, что существует характерный энергетический барьер e, связанный со случайным пиннингом, который конечен и может быть преодолен тепловыми флуктуациями.

В низкотемпературных сверхпроводниках этот вопрос, хотя и важен в принципе, на практике почти спорный, потому что барьер e имеет тенденцию быть большим по сравнению с типичной тепловой энергией при T c Таким образом, пиннинг чрезвычайно эффективен при всех температурах, где существует сверхпроводимость. В материалах с высоким T c барьер закрепления e меньше (еще один побочный эффект короткой длины когерентности), а T c намного больше.Следовательно, магнитные поля вызывают высокие скорости рассеяния, что позволяет отслеживать температурную зависимость в значительном диапазоне ниже нулевого поля T c.

Теперь понятно, что правильный ответ на наш вопрос — действительно ли сверхпроводник в магнитном поле является сверхпроводником? — да. При понижении температуры сильно колеблющиеся «спутанные спагетти» вихревых линий начинают демонстрировать коллективные корреляции на масштабе длины x, который расходится при характерной температуре «вихревого стекла» T g.

С этой расходящейся длиной связано расхождение в эффективном коллективном барьере пиннинга e ~ | T-T г | -кв. Ниже этой температуры барьер бесконечен и не может быть преодолен (равновесными) флуктуациями. Таким образом, удельное сопротивление линейного отклика действительно равно нулю, а не просто мало.

Наличие отдельной фазы вихревого стекла, как показано на рисунке 3.2, ясно показывает, что верхнее критическое поле H c2 является чисто средним полем.В теории среднего поля образец является «нормальным» для H > H c2 и «сверхпроводящим» для H << H c2. Теперь мы понимаем, что H c2 — это просто масштаб кроссовера, ниже которого параметр порядка быстро становится большим. Из-за сильных флуктуаций в материалах с высокой температурой T c существует режим «вихревой жидкости», в котором удельное сопротивление конечно даже при большом сверхпроводящем параметре порядка. Только когда система входит в замороженную фазу вихревого стекла, происходит происходит истинный фазовый переход.