Электродинамика

Электродинамика
Электрический заряд
Электрическое поле в вакууме
Работа электрических сил
Потенциал электростатического поля
Графическое изображение электростатического поля
Практическое занятие по физике
Тепловое излучение
Специальная теория относительности

Законы фотоэффекта

Теория атома водорода по Бору
Волновые свойства микрочастиц
Контрольная работа № 1
Уравнение Шредингера
Квантовая модель атома водорода
Многоэлектронные атомы. Принцип Паули

Квантовая теория свободных электронов в металле

Нерелятивистская квантовая механика
Атомное ядро. Закон радиоактивного распада.
Изучить экзоэнергетические реакции деления и синтеза.
Лекции и конспекты по физике

Векторы электромагнитного поля

Закон электромагнитной индукции
Теорема Гаусса в дифференциальной форме
Векторные операции в различных системах координат
Силовые линии и эквипотенциальные поверхности
Граничные условия на поверхности раздела двух диэлектриков.
Поле внутри проводящего тела в условиях электростатики
Плоскопараллельное поле
Ёмкость
Поле и ёмкость параллельных несоосных цилиндров
Формулы Максвелла
Ротор (вихрь)
Электрическое поле в проводящей среде
Магнитное поле постоянных токов
Расчет магнитных экранов
Энергия магнитного поля
Переменное электромагнитное поле в неподвижной среде
Плоская волна в проводящей среде
Теорема Умова-Пойнтинга
Поверхностный эффект
Атомная физика
Атомные ядра

РАДИОАКТИВНОСТЬ

ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ
ФИЗИКА ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ
 

Перед изучением электродинамики ещё раз обратим внимание на некоторые процедуры научного описания, знание которых весьма полезно при освоении предметного материала.

Мы знаем, что цель современного научного знания - объективное количественное описание объектов материального мира. В нашем зрительном восприятии этот мир представляет собой совокупность цветных объемных фигур, изменяющих свои формы и/или положения относительно друг друга с различной быстротой. И эти цветные фигуры - всё, что мы зрительно воспринимаем либо непосредственно, либо с помощью приборов. Фигуры мы называем объектами, даём им названия, обозначаем их различными символами и задаем им свойства.

В рамках зрительного восприятия такими свойствами объектов являются оптические (освещённость, цвет) свойства и геометрические (форма, размеры, положение одних тел относительно других, быстрота изменения формы и положения).

В механике мы не изучали оптических свойств. Что касается механических свойств, то в рамках зрительных восприятий и в быту имеет место задание качественных оценок свойств: большой объём, малые размеры, толстая палка, худая девка, быстрая муха, кривая нога и т.п.

В науке используют строгое количественное описание свойств, описание с помощью физических величин. Для этого используют измерительные процедуры (см. I часть "Измерения в физике").

Физические величины "связывают" в функциональные зависимости, получая феноменологические закономерности, затем их переводят в математические уравнения и используют для получения значений различных параметров или получения других уравнений как следствий (см. часть II - функциональную схему решения проблем. Она использовалась при решении частных задач, но, вообще говоря, это общая схема действий в классической физике).

При решении физических проблем используют и универсальные принципы. Одни универсальные принципы могут непосредственно входить в систему уравнений (суперпозиций, симметрии), другие непосредственно в систему уравнений не входят, но служат получению новых знаний и обоснованию используемых методов: принцип математического построения мира, принцип причинности и т.п. Так, постулат о причинно-следственной связи позволяет рассматривать каждое наблюдаемое свойство объекта как следствие какой-либо причины. В соответствии с этим универсальным постулатом для любого наблюдаемого свойства можно найти (вернее, придумать) причину, и если для этой причины придумать способ измерений - то причина становится физической величиной, причём величиной, остающейся за рамкой зрительного восприятия. Так у объекта появляются скрытые от зрительного восприятия свойства, являющиеся причинами зрительно воспринимаемых свойств.

Так, представим себе, что мы наблюдаем отклонение тела от прямолинейного движения. Это отклонение мы можем измерить и составить функциональную зависимость величины отклонения  от времени . Используя принцип причинности, мы можем придумать причину отклонения движения тела от прямолинейного и равномерного: причина отклонения есть взаимодействие рассматриваемого тела с другими телами; задать меру этой причине, название и символ и придумать способ измерения этой величины. Получим новую физическую величину - силу, определяемую как мера взаимодействия и обозначаемую символом .

Так у объекта появилось зрительно не наблюдаемое физическое свойство. Таких свойств можно придумать много: масса, импульс, момент импульса, ... и т.п.; используя эти свойства, можно существенно расширить научные знания. (Массу иногда связывают с ощущением телесности, а силу - с ощущением мускульных усилий, но это лишь свободные субъективные ассоциации, не имеющие ничего общего с физическими величинами: массой и силой.)

Надо помнить: вводя физическую величину, надо обязательно задавать хотя бы принципиальный способ её измерения.

С другой стороны, при описании поведения объекта используют математические величины и операции.

Надо чётко различать функциональную связь физических величин, полученную как результат использования измерительных процедур, и математическое описание, полученное как результат использования математических операций. Функциональная связь физических величин "работает" только в рамах составляющих её физических величин. Здесь под работой понимается нахождение одних параметров по значениям других, объяснение поведения объектов, физической природы механизмов, их связи и т.п.

Математическое описание позволяет комбинировать символы; заменять комбинации новыми символами, проводить операции с ними в рамках математических правил и т.п., в результате чего появляются новые математические объекты, не содержащиеся в изначальных математических образах феноменологических законов. При этом надо помнить, что изначально используемые символы - математические образы (модели) физических величин, а новые символы, получаемые при математических операциях - математические абстракции, которые служат эффективности вычислений и которые или играют промежуточную роль не оставаясь в конечном результате, или для них необходимо найти способ измерений, чтобы превратить их в физические величины.

Рассмотрим пример. Формула закона всемирного тяготения

содержит физические величины: силу, массу, расстояние и экспериментальную константу. Она позволяет получать значения одних величин по известным другим, объяснять поведение объектов и т.п. Но физическую природу механизма взаимодействия этот закон не объясняет, поскольку не содержит соответствующих физических величин. Используя принцип причинности и, исходя из вида формулы закона, можно придумать различные механизмы взаимодействия, например, считать, что сила обладает "врождённым свойством" действовать мгновенно на расстоянии или считать, что существует переносчик взаимодействия от одного тела к другому (гравитационное поле). Однако пока не найдены способы измерения "мгновенности действия силы" или гравитационного поля, эти механизмы и утверждение, что тела приближает друг к другу Ангел Силы равноправны.

С другой стороны, с математической формулой можно проводить математические операции, комбинируя символы, входящие в формулу, и применяя к ним различные математические методы.

Пример. Для точечной массы  и тела с распределённой плотностью  найти силу тяготения.

Запишем закон тяготения в виде

и назовём вектор

напряжённостью поля тяготения в точке нахождения частицы  (рис. 1). В таком представлении вектор  (полученный комбинацией ) становится объектом математического поля и к нему можно применять методы математического поля (см. Механика. Гидродинамика.).

В теории поля напряжённость поля при определённых условиях может быть выражена как градиент некоторой скалярной величины, называемой потенциалом поля: . Согласно теории поля, если задано произвольное распределение плотности вещества в пространстве , то потенциал поля в каждой точке будет определяться уравнением , где - оператор Лапласа, математическая конструкция, представляющая собой сумму вторых частных производных по координатам.

Таким образом, используя математические методы, при известном распределении плотности масс  можно найти потенциал  и напряжённость поля  в каждой точке пространства. Зная напряжённость поля   в какой-либо точке пространства и поместив туда массу, можно найти силу, действующую на неё в этой точке. Сила - измеримая величина и таким образом решена физическая задача с помощью математической теории поля, объекты которого - математические абстракции.

Таким образом, использование математических абстрактных объектов позволяет расширить классы решаемых задач. Однако при этом все введённые объекты и величины: поле, напряжённость, потенциал остаются величинами математическими. Значит, можно говорить о полевом математическом представлении закона взаимодействия масс, а не о физической полевой природе взаимодействия. Чтобы использовать для описания поле как материальный объект необходимо задать способ измерения параметров поля: напряжённости, потенциала...

При этом способ измерения должен не зависеть от закона Всемирного тяготения: другими словами, надо измерить напряжённость поля в точке , создаваемой массой  без помещения в точку  какой-либо массы, поскольку наличие двух масс приводит к закону Всемирного тяготения. Сегодня таких способов измерения не придумано, и поэтому гравитационное поле - математическая абстракция, используемая при вычислениях. При изучении физических объектов возникает проблема наглядности. Наглядное (визуальное) представление физических объектов используется в различных целях, например, как средство понимания (особенно для непрофессионалов), как средство получения новой информации (в творческом процессе), как компактное представление заданной информации об объекте и т.п. Существуют различные способы представления наглядных образов "невидимых свойств" и среди них самый универсальный - изображение невидимых свойств через математические образы. В механике мы широко пользовались универсальным способом, представляя пространство системой координат, силу - геометрическим образом вектора, поле скоростей - линиями тока и т.п.

В других областях физики наряду с математическими образами используются и визуальные механические аналоги и схемы экспериментов. В этом мы позднее убедимся.

Электрический заряд Истоки учения об электромагнетизме начинаются в городе Милете, где в VI в. до Р.Х. местный натурфилософ Фалес наблюдал как янтарь, потёртый о шерсть, притягивал лёгкие предметы, а "магнесийский камень" (магнит) притягивал кусочки железа.

Электрическое поле в вакууме. Напряжённость электрического поля Основной закон электростатики, закон Кулона, даёт количественное описание силового взаимодействия двух точечных зарядов. Согласно принципу причинности, это взаимодействие есть следствие каких-то скрытых причин. Надо придумать такую причину и количественно её описать с использованием измерительных процедур - в этом случае причина становится физической.

Работа электрических сил

Потенциал электростатического поля

Графическое изображение электростатического поля Из изученного материала следует, что для решения задач электростатики достаточно знать физические модели объектов, их математические образы, основные уравнения и математические операции

Атомное ядро. Закон радиоактивного распада