Fizika v komixakh

ЗНАНИИ МНОГО НЕ БЫВАЕТ! ЛАРРИ ГОНИК Уогк Тітев Ье$ї5еІІіп§ аиїИ ог ЕСТЕСТВЕННАЯ НАУКА і КОМИКСАХ АА№И ГОНИК АРТ ХАФФМАН КоЛибри М ОСКВА УДК 5 ? ВЕК 2 2 . 3 Г65 іа г г у б'опіск апсі АгЬНиг МиНтап ТНЕ САКТООЫ 61ЯРЕ ТО РНУЖ£> Перевод е английского Вадима Кадученко Оформление обложки Владиславы Матвеевой Перевод опубликован с согласия издательства Н агрегбоП гпг РиЫ ггЬегв Гоник А. Г65 Физика. Естественная наука в комиксах / Аарри Гоник и А р т Хаффман ; пер. с англ. В. Кадученко. - 2 - е изд., испр. - М. •• КоЛибри, А зб ука-А тти кус, 2 0 1 6 . - 2 2 4 с. ил. 15ВЫ 9 7 6 - 5 - 3 8 9 - 0 8 9 0 6 - 0 Д о т о г о как начать говорить на языке формул подобно Фейнману и Ландау, нужно изучить азы. 9 т а книга в увлекательной форме знакомит с основными физическими явлениями и законами. Аристотель и Галилей, Ньютон и Максвелл, 9йнш тейн и Ф е й н ман - признанные гении человечества, которы е внесли огромный вклад в развитие физики, и в э т о м уникальном пособии разъясняется, в чем он состоит. Здесь з а т р а гивается широкий спектр т е м ; механика, электричество, теория относительности, квантовая электродинамика. Д о с т у п н о с ть в сочетании с высоким научным уровнем изложения гар ан ти р ует успех в изучении одной из самых интересных дисциплин, те с н о связанной с другими сферами, и прежде всего с техникой. УДК 53 ВЕК 2 2 . 3 15ВЫ 9 7 8 - 5 - 3 0 9 - 0 6 9 0 6 - 6 © 199О Ьу Іаіуге псе бопіск апсі Аг£/іиг Н и № п ап © Кадученко В.Д., перевод на русский язык, 2 0 1 5 © Издание на русском языке, оформление. ООО «Издательская Группа « А зб у к а-А т ти к у с » , 2 0 1 6 КоДибри® ЧАСТЬ ПЕРВАЯ. МЕХАНИКА Глава 1. Движение ............................................................ 9 Глава 2. Яблоко и Л у н а .................................................... 2 4 Глава 3. Пуля и параболическое движ ение............................39 Глава 4. Движение спутников и невесомость........................43 Глава 5. Другие о р б и т ы .................................................. 4 8 Глава б. Третий закон Н ь ю то н а ......................................... 53 Глава 7. Подробнее о с и л а х ............................................... 59 Глава 8. Импульс и импульс силы .......................................7 0 Глава 9. Энергия ............................................................ 79 Глава 10. Столкновения.................................................... 89 Глава 11. Вращение...........................................................96 ЧАСТЬ ВТОРАЯ. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ Глава 12. З а р я д .............................................................. 111 Глава 13. Электрические п о л я ..........................................123 Глава 14. К онденсаторы ................................................. 129 Глава 15. Электрический т о к ............................................134 Глава 16. Последовательное и параллельное соединение . . . . 148 Глава 17. Магнитные п о л я ................................................155 Глава 18. Постоянные м а г н и т ы ........................................ 166 Глава 19. Закон алектромагнитной индукции Фарадея ........ 170 Глава 2 0 . О тноси тельность............................................ 175 Глава 21. Катушки индуктивности.................................... 183 Глава 2 2 . Постоянный и переменный т о к .......................... 186 Глава 23. Уравнения Максвелла и свет .............................. 195 Глава 24. Квантовая алектродинамика..............................201 Указатель.................................................................... 215 «ЧАСТЬ П Е Р Ш * и 4 Ь На этой прямолинейной трассе расстояния в направлении вперед обозначены положительными числами, в обратном направлении — отрицательными. 9 Мой друг, космонавт РМИГО, е д е т на машине по ?то й трассе. Машина движется с постоянной скоростью, Значит, за равные промежутки времени она проезжает одинаковый путь и можно записать-- <й& V » через 1 с через 2 с 10 м через 4 с , . . 30 м 20 м Расстояние ё равно произве дению скорости V на время і. Скорость равна 10 метров в секунду, значит, За 1 секунду Ринго проедет 10 метров, За 2 секунды — 2 0 метров, за 3 се кунды — 3 0 метров, За минуту — 600 метров... о О А за 1 час (3 6 00 с) он проедет 3 6 0 0 с х 10 55 м /£ » 36000 м » К м 10 40 м и т.д . В обычной жизни любая машина постоянно ускоряется и замедляется, т о есть ее скорость непостоянна. Как же быть с уравнением ё » У • £ ? Какое значение У выбрать, если оно все время меняется? Можно выразить V из этого уравнения. Получится !> = < */ * , значит, конечные показания начальные показания одометра одометра время в пути Так определяется СРЕДНЯЯ скорость в пути. Ученые древности лишь после долгих раздумий поняли, ч то у предметов есть и МГНОВЕННАЯ скорость — скорость в конкретный момент времени. Именно э т у скорость и показывает спидометр. Физики обнаружили, ч т о важна не только величина скорости, но и ее Если Ринго движется в отрицательном направлении (например, развер нулся или е д е т задним ходом), т о его скорость ОТРИЦАТЕЛЬНАЯ. Теперь понятно, почему спидометр показывает отрицательные числа/ Направленную скорость можно представить как стрелку, указывающую направление движения. Длина этой стрелки буд ет пропорциональна величине скорости. Скорость Ринго можно обозначать стрелкой и в общем случае — например, когда он е д е т со скоростью У » 3 2 м/с с азимутом 28°. 12 Давай еще разок прокатимся с Ринго. У него в машине линейный «скоростем ер», который показывает отрицательные числа, когда машина е д е т назад. Значит, ускорение — всего лишь скорость стрелки «скоростемера» !* * Нужно использовать т е же единицы, ч то указаны на шкале «скоростемера». 13 "\ Ґ Вели скорость меняется быстро, ускорение большое. Вели скорость меняется медленно, ускорение маленькое. Вели Ринго едет с постоянной скоростью, ускорение равно нулю. Теперь представим, ч то Ринго плавно разгоняется о т О до 50 км/ч за 5 с. Стрелка спидометра дви жется с ПОСТОЯННОЙ СКОРОСТЬЮ, Значит, УСКОРЕНИЕ ПОСТОЯННОЕ. Вычислим его*. «Я ІЕВ 223К , __ конечная скорость - начальная скорость _ 5 0 км/ч вре/*ля 5 0 км/ч 5 с Оба атих множите-” ля равны 1. Они нуж Обрати внимание*, ускорение ны для то го , чтобы \ перевести часы / в секунды, а кило измеряется в м/с2 — в метрах в секунду в квадрате/ метры — в метры. 14 А ч т о еще произошло, когда Ринго Знячит. разгонялся? При ускорении вперед его вдавливало в кресло. 7 О Машина замедляется, и Ринго ч увс твуе т силу, которая т о л к а е т его вперед. При торможении, или З А М Б Д Л Б Н И М , стрелка спидометра движется влево — скорость стрелки становится отрицательной. 0 15 Замечаешь, ч т о ускорение и сила, Бели машина е д е т с положительной которую т ы чувствуешь, направлены Скоростью и то р м о зи т (или, наоборот в противоположные стороны ? разгоняется а обратную сторону}, Я чувствую столько всего... / т о ускорение б уд е т отрицательным. бтрелка спидометра в любом случае движется влево: Силы, связанные с ускорением, Когда машина ускоряется, груз п ом о гут нам изготови ть индикатор отклоняется назад на некоторый ускорения — А К С Е Л Е Р О М Е Т Р . Эт о угол о т вертикали. просто груз, подвешенный на раме машины. При отрицательном ускорении груз Груз движется в направлении, отклоняется вперед. обратном направлению ускорения. Угол отклонения указывает величину ускорения. В о т еще один пример. Ринго е д е т по кругу с постоянной скоростью 2 О км/ч. Показания спидометра не меняются, но Ринго чувствует, как сила выталкивает его из поворота, а акселерометр отклоняется наружу. Здесь ускорение уже нельзя определить через показания спидометра. Величина скорости не меняется — меняется ее НАПРАВЛЕНИЕ... и ускорение оказывается ПЕРПЕНДИКУЛЯРНО направлению движения. Оно направлено внутрь круга, а сила, которую чувствует Ринго, — наружу. Акселеро м е тр указывает ускорение верно. Вывод: когда предмет движется по кругу с п о с то янной скоростью, его ускорение направлено і ЦЕНТР КРУГА. 17 Ускорение — одно из базовых понятий физики, пусть и понять его непросто. У большинства предметов в реальном мире величина и направление скорости постоянно меняются — другими словами, 9ти предметы ускоряются ! Направление постоянное, скорость меняется V Скорость п о с т о я н н а я ,/ ^ / I ^ н а п р а в л е н и е меняется Ґ I 1 4 Скорость и направление меняются Л Скорость определяется проста уравнением Скорость — мера изменения расстоя ния, а ускорение — мера изменения скорости. Ускорение тож е мож ет меняться/ 16 Тогда пройденный путь ё равен средней скорости, умноженной Ты начинаешь движение из состоя ния покоя, ускорение постоянно и равно а, время в пути — Ь. Сколь на время Ь, то есть ко т ы проедешь за это время? •Ь ш у - аЪ Ь- о У -0 Усредняя - Начальная скорость равна нулю и рав Пусть Ринго разогнался с О до 50 км/ч за 5 с. номерно возраста е т до V = аЬ Посмотрим, сколько он проехал. 9 т а задача решается в два за время Ь. Значит, СРЕДНЯЯ скорость равна*. действия*, сначала найдем ускорение £мы уже нашли его на стр. 14 — оно равно а ■=■Ъ,!® м/с1), значит, а -.+ а г - О + <хЬ * \ ( г , 7 0 ! * / с г) » 19 м • (5с)2 Еще один вид движения — Над это й задачей Попробуй уронить размышлял и что-нибудь на пол — например э т у книгу. Какой была ее № 6 4 -1 6 4 1 ). скорость во время падения - постоянной или переменной? Скорее всего, книга упала т а к быстро, ч т о и не поймешь. Галилей нашел способ замедлить Он раз за разом скатывал разные падение тел, чтобы можно было предм еты по наклонным плоскостям, спокойно изучить его. Для э т о го он используя вместо часов собственный применил НАКЛОННУЮ ПЛОСКОСТЬ. Суперзамедление! Он обнаружил; пройденное шаром Почему же Галилея расстояние зависит о т квадрата с ч и т а ю т гением? П о т о м у ч т о он понял; времени движения и описывается если наклонять плоскость формулой все больше и больше, т о г в пределе движение шара б у д е т неотличимо о т свободного падения.'* * Строго говоря, э т и рассужде ния верны только то гд а , когда шар движется но наклонной плоскости £ез трения. го А еще Галилей х о те л понять, как ско Но эксперименты Галилея принесли рость падения предметов зависит о т неожиданный р езул ь тат; МАССЫ. Казалось бы, все зн аю т, ч т о если пренебречь сопротивлением кирпич пад ает быстрее, чем перо. Значит, это перо замедлит мое падение?. Перо пад ает медленно из-за большого 9 т о т 9Ксперимент можно повторить сопротивления воздуха. Но в вакууме, на Земле — внутри сосуда, например на Луне, перо уп ад ет т а к из которого выкачан воздух. же быстро , как кирпич. .С яшо\! > 5> После тщ ательных измерений Между прочшл, И Й М О И П Й И мы нашли эт о ускорение; (1 0 7 9 -1 9 5 5 ) показал; т а к как у поверхности Земли все все предметы движутся в поле предметы падаю т тяготени я одинаково, тя го те н и е с постоянным ускорением §, должно бы ть свойством равным ПРОСТРАНСТВА и ВРЕМЕНИ, а не предметов. 9,в м / с 2 (без учета сопротивления воздуха). Чтобы сделать разговор более предметным, сбросим какой-нибудь предмет с крыши. Предм ет буд ет дрыгаться с постоянным ускорением д. Значит, его скорость буд ет возра с т а т ь пропорционально времени: V - д •Ь Через 1 секунду она будет равна 9,6 м/с2 • 1 с = 9,9 м/с Через 2 секунды она будет равна 9,9 м/с2 • 2 с - 19,6 м/с и т а к далее. ________ А сколько пролетит предмет за время £ ? Применим нашу формулу За 1 секунду он пролетит ^ • 9,9 м/с2 • (1 с)2 = - 4 ,9 м За 2 секунды он пролетит ^ • 9,6 м/с2 • (1 с)г - 19 ,6 м У ---------------------------------- — ----- — — Теперь запустим шар вверх по галилеевскому «устр о й ству для ослабления тяготени я». Сначала он буд ет катиться быстро, п отом замедлится, на миг остановится, а за те м все быстрее и быстрее покатится А каким будет УСКОРЕНИЕ шара в верхней то ч к е ? Ненулевым/ Ускорение во время движения постоянно. Именно под действием этого ускорения шар замедляется, когда кати тся вверх, а потом ускоряется, когда кати тся вниз. Так и ускорение камня, брошенного вверх, всегда равно д и направлено Щ Ш . N Чтобы понять движение Луны и других предметов вокруг наг, попробуем о т в е т и т ь на вопрос*, ч т о происходит с предметами, когда на них не действует НИКАКАЯ сила? Много веков физики жили в тени (304-32.2. до н.э.). Он считал, ч то КРУГОВОЕ ДВИЖЕНИЕ — это « е с т е с т венное» движение НЕБЕСНЫХ т е л (Луны и звезд}, а ЗЕМНЫЕ тела (яблоки, камни и даже ты /} «естественны м образом» стремятся УПАСТЬ. 24 З а м е ты раз Луна движется Земные тела, по мнению Аристотеля, по кругу, ее движение можно после падения находятся в покое, пока объяснить, не прибегая к понятию их не о т т о л к н е т какая-нибудь сила. силы тяготения. Интуиция подсказывает, ч т о он Если заглушить м отор, т о машина, прав' Кажется, ч т о для поддержа постепенно... остановится... ния движения нужна сила, точно т а к же, как машине нужен м отор. * и Р * Л * 'ї? л Т Гениальный Галилей пер^ылл понял; для поддержания не нужна 23 Блестящая идея Галилея была такова*, силы ИЗМЕНЯЮТ ДВИЖЕНИЕ предметов. Без действия сил предметы двигались бы по прямой вечно — их останавливает лишь С И М ТРЕНИЯ. Убедиться в 5>том нам поможет простое приспособление, сделанное из резинового коврика. На другой стороне коврика мяч Закатывается на т у же самую высоту. Не будь другой стороны, он катился бы вечно, если бы не сила трения. У іс а А •лш (1642-1727) выразил идею Галилея в П іР іО М ЗАКОНІ НЬЮТОНА: Тело, находящееся в покое, стрем ится остаться в покое. Тело в движении стремится продолжить движение по прямой с постоянной скоростью. ГА еще он сказал; «Я видел дальше других только потому, что стоял на плечах гигантов». Разумеется, он имел в виду Галилея.} В терминах из первой главы этот закон звучит так*, если на тел о не действую т силы, оно движется с ПОСТОЯННОЙ СКОРОСТЬЮ. 27 Свойство тел, которое заставляет Величина инерции тел а выражается их «подчиняться» первому закону его М А Ш ЭЙ . Инерция массивных т е л Ньютона, называется ИНЕРЦИЕЙ. больше, значит, чтобы сдвинуть их Инерция — эт о сопротивление с м е ста, нужна большая сила. изменениям движения. Малая Как мы уже говорили, когда машина О ткуд а берется ? т а сила? Эт о Ринго ускоряется, он ч увствует машина д е й с тв у е т на Ринго, чтобы действие силы. преодолеть его инерцию и придать ему ускорение. 2е Эту связь между силой, массой и ускорением Ньютон выразил в математическом виде в своем ВТОРОМ ЗАКОНЕ: Чем больше сила, действующая на тело, т е м больше ускорение. Но чем больше масса тела, т е м больше оно сопротивляется ускорению. 29 Теперь давай еще раз посмотрим на Луну. Она движется вокруг Земли почти по идеальной окружности. Мы показали, ч т о тела, которые движутся по окружности, ускоряются. Значит, на Луну д ействует сила *. ЭТО ЗЕМЛЯ ПРИТЯГМІАЕТ ЛУНУ К СЕБЕ. Мы знаем, ч т о Земля притягивает к себе все предметы и придает 9 т а же сила, Ш ЛА ТЯГОТЕНИЯ, д е й ствуе т и на Луну. Если 6ь\ им ускорение, направленное вниз. тяготения не было, т о Луна двигалась бы вдоль прямой. Не будь тяготения, яблоко, выпущенное из рук, не упало бы, а повисло бы в воздухе в состоянии покоя (в «естественном » состоянии). Если бы не тяготени е и другие силы, Луна двигалась бы вдоль прямой с постоянной скоростью, но под действием тяготения она ускоряется по направлению к Земле. ЛУНД ПАДАЕТ относительно «естественной» прямолинейной траектории, которую описывает первый закон Ньютона. За одну секунду Луна пад ает примерно на 1 мм относительно прямолинейной траектории. За одну секунду яблоко у поверхности Земли п ад ает на 4,9 м. Луна пад ает не т а к быстро, как яблоко, п о то м у ч т о вдали о т Земли сила тяготе ни я меньше. Давай ненадолго остановимся и оценим всю важность открытий Ньютона. Движение яблока и Луны описывают одни и т е же законы, а небесные тела ведут себя т а к же, как и земные, значит, законы Ньютона Ньютон опирал тя го те н и е формулой-. р . б . Л і Ж - В се тел а во Вселенной Конечно, если массы т е л притягиваются друг малы, т о сила тяготения к другу/ Луна притягива невелика. е тся к Земле, Земля — к Луне, а т ы — ко мне... ' У Число 6? в этой формуле — постоянная, которая указывает силу гравитационного взаимодействия. Ч тобы найти £ , надо провести эксперимент и измерить притяжение двух т е л с известной массой. С увеличением расстояния тяготение ослабевает*• как мы показали, Луна « п а д а е т» медленнее, чем яблоко у поверхности Земли. Еще одно проявление этого ЗАКОНА ОБРАТНЫХ КВАДРАТОВ — это ПРМАМВЫ и ОТАМВЫ воды в океане, происходящие дважды в день. Та сторона Земли, ч т о расположена прямо под Луной, ближе к Луне, чем центр Земли, поэтому тяготен и е Луны д ействует на нее сильнее, и вода на ней «поднимается». Кроме то го , центр Земли ближе к Луне, чем вода на ПРОТИВОПОЛОЖНОЙ стороне Земли, поэтому Луна « о т т я г и в а е т » Землю на себя, и вода снова «подним ается»/ Здесь вода притягивается сильнее, чем Земля. Здесь Земля притягивается сильнее, чем вода. 34 Солнце тоже выбывает приливы, но они слабее, потом у ч т о Солнце дальше о т Земли, чем Луна. Каждый месяц в полнолуние и новолуние Солнце, Луна и Земля находятся на одной линии, поэтом у приливы и отливы в эти дни особенно сильны. Такие приливы наблюдаются дважды в месяц и называются СИЗИГИЙНЫМИ. Полнолуние Ч ч 4 Вода „ / Луна © 3> Земля : \ ^ ^ / ] / / В первой и последней четверти Луна находится под прямым углом к Солнцу. Тяготение Луны частично компенсируется тяготением Солнца, поэтому прилив буд ет слабее обычного. Такие приливы называются КВАДРАТУРНЫМИ. 35 Теперь давай подумаем о том , как тяготени е влияет на тела у поверхности Зеллли, на пример на тебя. £ила тяготения, действующая на тебя, — это твой ВВС. Как можно уменьшить свой вес? Сесть на ди ету и сбросить массу. Уменьшить массу Земли Сили отп р а Подняться над поверхностью Земли виться на Луну). Сна крыше дома т ы весишь чуть меньше, чем внизу/). Каким будет тво е ускорение, если т ы спрыгнешь с крыши? Заметь, теперь мы можем выразить силу притяжения Земли, которая действует на тебя, двумя способами: Из второго закона Ньютона; Из закона всемирного тя готе н и я; Р = тд В последней формуле д выражено через фундаментальную постоянную £, массу и радиус Земли. Твоя масса т Приравняем выражения и получим: сокращается, и д тд » б ■ не зависит о т нее/ , отсю д а д » & •^ Сила Ш - т д, с которой Земля д ействует на тебя, показывает, чем отличаются т с и МАССА. Масса т обозначает количество материи в предмете и указывает *• как сильно предмет притягивает другие предметы 2.) как сильно он сопротивляется ускорению, какова его инерция. Вес VI/указывает, какая сила тяготения действует на предмет. Вес зависит о т того, где т ы находишься*в откр ы том космосе твой вес мож ет равняться нулю, а масса всегда о стается прежней/ Вес и масса даже измеряются а разных единицах. В метрической системе масса измеряется а КИЛОГРАММАХ, а вес — в НЬЮТОНАХ. Человек массой 5<9 кг им еет вес 50 кг • 9,0 м/б2 » 490 ньютонов Говорить, ч т о предмет « в е с и т» 50 килограммов, некорректно. Вес выражается е единицах измерения силы, т о есть в ньютонах. Непонятно? Тогда в о т еще пример; в британской системе единица измерения силы называется а единица измерения массы Г«улитка»Л Человек весом 715 ньютонов им еет массу Г 715 ньютонов § » 7 3 кг, или 9,9 м /с2 5 сА®гов 30 В предыдущих главах мы взвешивали и роняли предметы. с А теперь давай постреляем.' — Чтобы рассмотреть вертикальное и горизонтальное движение отдельно? Чтобы увидеть параболическое движение, д остаточн о столкнуть машину с обрыва или выстрелить из ружья в горизонтальном направлении. Главное при изучении такого движения — понять, ч то сила тяготения де йствуе т только Л© ВЕРТИКАЛИ и влияет только на РЕРШКАДЫНУЮ ДОСТАВЛЯЮЩУЮ скорости. била и ускорение направлены вниз. 39 I Эт о наблюдение помогает мгновенно решить известную Задачу; если Ринго уронит пулю в т о т же самый м ом ент, когда я выстрелю из ружья горизонтально, т о чья пуля упад ет на землю первой? (Начальная высота обеих пуль одинакова.) Пули упад ут на землю одновременно, Пример. Я выстрелил из ружья с плеча, п о то м у ч т о они ПАДАЮ Т б ОДИНА т о е сть с высоты 1,225 м. 9 т а КОВОЙ СКОРОСТЬЮ . Горизонтальное высота равна движение не влияет на вертикальное/ > п оэтом у 1 ,2 2 5 2 м = - - • 9,0 м /с2 • £2 Вертикальное ускорение и ско р ость одинаковы. Если горизонтальная скорость пули Следующий вопрос: равна 3 0 0 м/с, т о за ч т о произойдет, она пр ол ети т 1 5 0 м. секунды если направить ружье вверх под углом? Если тяготения нет, т о пуля Проведем мысленный экспе будет бесконечно л е т е т ь римент под названием вдоль прямой (по первому 14 закону Ньютона). Если тя го те н и е есть, т о пуля б у д е т ПАДАТЬ / /Я относительно этой прямой/ Ускорение Обезьяна разжимает лапу в т о т самый м ом ент, когда охотник стр е л я е т из пушки. Ч т о произойдет? иобеш.. Бедная обезьяна/ Она не понимает, ч т о вертикальное и горизонтальное движение независимы / Но т ы - т о понимаешь, ч т о ядро обязательно попадет в обезьяну. Если ядро л е т и т медленно, они будут падать дольше, но все равно пролетят одинаковое расстояние 6. =• и т о й же прямой. д£2 о т одной Теперь мы на Луне, где н е т сопротивления * Гл а в а * воздуха. Я стреляю из ружья по горизонтали, начальная скорость пуль с каждым выстрелом все ДВИЖЕНИЕ СПУМИШ и ИЕВЕСО■ больше. Все пули упадут на Землю одновременно, п о то м у ч т о горизонтальное движение не влияет на скорость падения. Однако чем больше скорость пули, т е м дальше она у л е ти т. месть Высота ружья над поверхностью — Если пули л е т я т далеко, т о с т а н о 1,225 м. На Земле пуля упад ет вится зам етно, ч т о Луна не плоская, на поверхность через ^ секунды, а круглая / Поверхность Луны б у д е т а на Луне — через 1,2 секунды, изгибаться и удаляться о т пули. п ото м у ч т о здесь тя го те н и е слабее. Будем увеличивать скорость пули. В Пуля выйдет на ОРБИТУ на высоте какой-то м ом ент получится та к, ч т о 1 ,2 2 5 пуля упадет на 1 ,2 2 5 м, а поверхность рывно падать, но поверхность Луны м о т Луны. Она б у д е т непре б у д е т постоянно удаляться о т нее. Луны удалится о т нее на т е же 1 ,2 2 5 м, и пуля о с тан е тс я на ПРЕЖНЕМ расстоянии о т поверхности / е=» ' 1 ,2 2 5 м 43 Разумеется, э т о т эксперимент возможен только тогда, когда сопротивления воздуха н е т Си препятствий на пути пули — тоже!). Он помогэет понять принцип движения спутников: мы запускаем спутник на ракете за пределы земной атмосферы, п ото м «наклоняем» его и придаем ему достаточную ГОРИЗОНТАЛЬНУЮ скорость. Спутник начнет падать, но поверхность Земли в это же время будет отдаляться о т него. Луна, естественный спутник Земли, то ж е непрерывно падает и одновременно движется горизонтально, поэтом у расстояние о т Земли до Луны не меняется. Сорбита Луны им еет форму почти идеальной окружности.} 44 Теперь дакай отправимся к космос на ш аттл е . Когда мы достигнем орбитальной скоуости и выключим двигатели, на нас будет действовать только ШЛА тотвтя и мы начнем падать на Землю. Но т о же самое буд ет происходить и с самим шаттлом*, он начнет падать на Землю с т е м же ,, ускорением. Ускорение Наше ш аттла ускорение Мы не ускоряемся относительно ш аттла, а значит, будем свободно л етать внутри его, в невесомости ! 45 Выпусти из рук яблоко внутри падающего ш аттла, и оно повиснет в воздухе. Толкни его, и оно покгтит по прямой — точно по первому закону Ньютона/ Если на космический корабль де йствуе т только сила тяготения, т о не важно, куда он л е ти т, вверх, вниз или по орбите, — все предметы внутри его будут НЕВЕДОМЫМИ. 46 Невесомость можно создать и на Земле — просто зайди в этот лифт, а я перережу кабель/ Под действием силы тяготения возникает ускорение, ногам & ш в свободном падении не ощущается. Это и другие наблюдения помогли Эйнштейну понять, ч т о тяготен и е — 5>то свойство пространства, а не предметов. 47 Ранее мы рассматривали только круговые орбиты. Так, спутник на круговой орбите запущен горизонтально с такой скоростью, чтобы его отклонение о т прямой соответствовало кривизне круга. А ч т о произойдет, если мы запустим спутник с другой скоростью или под другим углом? Большая V Чтобы найти орбиту спутника, можно применить проверенный временем математический м е то д — м етод «грубой силы». 46 М е то д «гру бой силы» начи нается с расчетов по форму ле силы тяготения после Ш т (М - масса Зелми, т — масса спутника, г — расстояние м е жду ними, £ — постоянная}. По этой формуле мы найдем силу, действующую на спутник, и вычислим его ускорение по второму закону Ньютона а = Р/т. Зная ускорение, мы сможем определить, как изменится скорость спутника. Увы, после т о г о как спутник чуть сместится, г изменится, а значит, изменится и сила тяготения / Придется ПЕРЕСЧИТАТЬ ускорение и найти новую скорость спутника на следующие несколько мгновений, потом пересчитать их снова, и снова, и снова, и снова несколько тысяч раз ! На каждом шаге надо £удет найти: 03 ^ " новую силу а ■!/? V р "<Ь ! ~ новое ускорение - новую скорость - новое положение - новую силу - новое ускорение и т.4.г а 49 Между прочим, этот пошаговый м етод называется «численное интегрирование дифференциального уравнения». «Жуткая математика» заучит ] куда точнее. \ Л , Если мы рассматриваем только Но если в системе больше двух два тела, формулы их орбит можно вывести методами математического анализа. тел, т о наша единственная надежда — это м е то д «грубой Единственно возможные орбиты по какой хитрой спирали движется Луна вокруг £олнца; силы» и компьютеры / Посмотри, в теории тяготения Ньютона — это окружности, эллипсы, параболы и гиперболы. орбита планеты Параболическая орбита ком еты Земля 50 К счастью, Солн це т а к велико, ч то сила его тяготения преобла д а е т над веет осталь ными „ силами в Солнечной системе, а орби- ■ч т ы планет им ею т фор ^ му почти иде альных эллипсов. (1571-1630), рассчитав орбиту Марса, первым показал, ч то планеты движутся по эллиптическим орбитэм. Позднее Ньютон доказал, ч то эллиптическая форма орбит — следствие закона обратных квадратов. Но орбиты планет — не идеальные эллипсы, поэтом у при запуске \о _ . космических зондов применяется м е то д «грубой силы». © 51 сУравнения Ньютона просты. Они описывают движение В О Б Щ Ш ВИДЕ, а ^ его конкретные параметры зависят о т начального положения и скорости т е л в системе. Солнечная система описывается простыми формулами Р = £ -^ р - и Р - та , но при запуске зондов нужно выполнить гигантский объем вычислений. Физики часто действую т именно так*, сначала они находят общие уравнения, а потом реш ают их для конкретного случая. Интересно, можно ли описать всю физику Вселенной несколькими уравнениями, зная 52 5? -------------------------- Мы рассказали о двух первых законах Ньютона. Давай рассмотрим его т р е ти й закон: 1. « Е с т е ственное» движе ние т е л равномерно и прямоли нейно. Третий закон Ньютона ••когда одно тело д е й ствуе т на другое, второе тело д е й ствуе т на первое с такой же силой, но в противоположную сторону. _______________ Другими словами, ДЕЙСТВИЕ РАВНО ПРОТИВОДЕЙСТВИЮ. К примеру, когда я толкаю стену, она « о тт а л к и в а е т» меня с такой же силой. Еще пример: Зелмя притягивает Луну с то й же силой, с какой Луна притягивает Землю. У Земля притягивает Луну, поэтому Луна остае тся на круговой (ну, почти круговой} орбите. Но ведь Луна то ж е притягивает Землю/ л <4 ' Притяжение Земли уводит Луну с прямо линейной траектории Из-за того, ч т о Луна притягивает Землю с такой же силой, Земля тож е движется по небольшой орбите/ Земля смещается меньше, чем Луна ( т о есть ускоряется меньше}, потом у ч то ее масса намного больше. -\ г Книга лежит на столе. Какая сила противопо ложена весу книги !/!/? била реакции опоры, то есть сто а а? НЕТ/ Ш Второе тело, действующее на книгу с силой Ш, — это езмз ЗЕМЛЯ ! Земля притягивает книгу с силой М/, а книга II КК ([ притягивает с силой {/У всю Землю \ ■гЯ Х Г г ^ ==" з ^ л Г " " * ^ Но разве стол не то л ка е т книгу вверх? В этом случае — да. Книга не ускоряется, значит, по второму закону Ньютона, сулмла действующих на нее сил равна нулю. Так как Земля т я н е т книгу вниз, ч т о - т о должно , билы, действующие на книгу толкать книгу вверх. Это « ч т о - т о » — стол, который тол кае т книгу с силой Р ■» УУ. Этот случай — особый*, не £удь стол таким прочным, сила Р оказалась бы меньше УУ, книга проломила бы стол и упала/ 56 Другой пример. Как лошадь т я н е т повозку вперед, если повозка т я н е т лошадь назад с такой же силой? Чтобы разобраться, рассмотрим по отдельности силы, действующие на повозку и на лошадь. Какие силы д ействую т на повозку? Лошадь т я н е т ее вперед, а СШк ТРЕНИЯ Земли — назад. Если сила тяги лошади больше силы трения, повозка ускорится. Теперь посмотрим на лошадь. По тр е ть е м у закону Ньютона, повозка тя н е т ее назад. Ч т о же то л ка е т лошадь вперед? Земля/ Лошадь толкает Землю назад, поэтом у Земля то л кае т ее вперед с такой же силой. Лошадь ускорится, если с/^ож&т оттолкнуться о т Земли достаточно сильно, чтобы преодолеть противодействующую силу со стороны повозки. 57 Еще один пример-ракетный двигатель. Ракета тол кае т отработанные газы вниз, а газы, по тр е ть е м у закону Ньютона, тол каю т ее вверх. Если сила тяги, направленная вверх, превысит вес ракеты, д е й с тв ую т мы взлетим/ только Эти силы на ракету/ била тяги Трение о воздух Ґ \ Внимание: нельзя говорить, ч т о ракета отталкивается о т воздуха. Более того, ■Л,а’ \ <4-1, Р 1заметно. 1 3 2 * " ^ ( о трение о воздух только тор м о зи т ракету. ^ ^0 V 50 ^ Щ о <з о 0 ) Можно сказать, ч т о законы Ньютона описывают действие сил: И Если силы о т с у т с т в у ю т , тело о сохраняет постоянную скорость. £ила вызывает ускорение, & > пропорциональное силе и обратно пропорциональное массе тела. Любому действию есть 'о равное и противоположное противодействие. £ила — векторная величина. У силы, как и у скорости и ускорения, есть не только ВЕЛИЧИНА, но и НАПРАВЛЕНИЕ. На ? т о м рисунке показаны силы, действующие в нескольких направлениях. В э т о м примере сумма всех сил — результирующая сила — равна нулю, т а к как тел о не ускоряется (и снова второй закон Ньютона/). Реакция опоры Посмотрим, какие силы действую т на лыжника, который катится с горы с постоянной скоростью. 9то вес лыжника, реакция опоры и сила трения. Но Р В Ш Т О » Р Ш Щ Д О сила вновь должна быть равна нулю. Понимаешь, почему сумма этих сил равна нулю? 60 Еще пример — перетягивание каната. Каждая команда т я н е т канат с силой в 9 8 0 ньютонов. Чему равна сила натяжения каната? Может, 2 X 9 8 0 = 1960 ньютонов? £ила натяжения определяется как величина, которую покажут пружинные весы, если мы разрежем канат и привяжем его к весам с двух сторон: к о р 1Т Г 1ПТТТП 4 Рассмотрим похожую ситуацию*, взвесим груз массой 10 0 кг на пружинных весах. Вес этого груза тд равен 9 8 0 ньютонов. Л / Груз т я н е т весы вниз с силой в 9 8 0 ньютонов, значит, весы т я н у т груз вверх с такой же силой. А еще весы т я н у т потолок вниз, а потолок т я н е т их вверх с т о й же силой в 9 8 0 ньютонов/ 990 И о т потолка На весы д е й с тв ую т • 980 И о т груза £1 Канат передает силу о т груза к потолку через весь\. По тр е ть е м у Закону Ньютона, груз и канат т я н у т друг друга в разные стороны с одинаковой силой. На канат д е й с тв у ю т £ила натяжения каната (показания весов) равна 9 90 ньютонов. Теперь понятно, почему сила натяжения каната ТОЖЕ равна 9 00 ньютонам? Дело в том , ч т о канат «перед ает» а т у силу о т одной команды к другой. Бели мы привяжем канат к столбу и за него потянут обе команды сразу, т о сила натяжения удвоится/ 62 Еще одна сила, с которой мы сталкиваемся каждый день, — 5>то СИЛА ТРЕНИЯ. Чтобы ощу т и т ь ее, просто сдвинь книгу по столу в любую сторону. Начни плавно двигать книгу, и т ы заме тишь, ч т о сила трения меняется. Книга сначала не поддается, а потом срывается с м еста! Чувствуешь, ч то сила трения немного уменьшается, когда книга начинает двигаться? Дело в то м , что, когда поверхности неподвижны, наблюдается СТАТИЧЕСКОЕ трение, которое возрастает до некоторого максимального Значения. КИНЕМАТИЧЕСКОЕ трение бпрение во время движения) меньше максимального статического трения — именно поэтому машина с заблокированными колесами то р м о зи т медленнее. Заблокированное колесо При вращении нижняя точка колеса торм озит из- 3а кинематического трения. ненадолго останавливается (!), и колесо то р м о зи т из~за с т а т и ч е ского трения. Еще один пример трения — трение о воздух. / /X * (\гі / ЦГ^Ш Хочешь Л, ощутить ^ ”1 его? Высунь і руку из окна \ машины/ / Е сть и другой, куда более интересный способ" о щ ути ть трение о воздух — прыгнуть с парашютом. При прыжке на тебя д ействует только сила тяготения, тв о е ускорение равно д. По мере набора скорости трение о воздух возрастает, трение и ускорение уменьшается На скорости о т 160 до 240 км/ч трение трение о воздух становится равным твоем у весу, и т ы перестаешь ускоряться. 9 т а скорость называется Трение о воздух зависит и о т площади поверхности — во т почему парашют уменьшает предельную скорость примерно до 4 0 км/ч. 64 НЕКОТОРЫЕ ЕМУ- Помнишь акселерометр — шар на нити, который мы подвесили в машине Ринго? При разгоне он отклоняется назад. Почему? ІШиїч ВД Ш Й Р® Н ! © е>ю На шар д е й с тв у ю т всего Но Ринго, находясь в машине, две реальные силы; сила ч увствуе т некую «силу ускоре тяготени я тд, которая т я н е т ния» , которая о тта л к и в а е т его вниз, ы си№ натяжения все назад/ нити Т. При разгоне машины, по втором у закону Ньютона, равнодействующая ? т и х сил должна бы ть равна т а и указывать вперед. Значит, нить должна о тк л о ниться на некоторый угол. На самом деле такой силы Все силы, которые т о л к а ю т те б я вбок, нет, она мнимая. Все дело вперед или назад, когда т ы едешь в машине, вм нєр и ^м , которая на самом деле мнимые. Так проявляется п р е п я тств у е т ускорению. инерция, препятствующая ускорению. Когда я раскручиваю над головой шар на нити, многие считаю т, ч т о нить натягивается под действием «центробежной силы». Но на самом деле шар не тол кае т никакая сила/ «ЦЕНТРОБЕЖНАЯ ДОЛА» МНИМАЯ/ Единственная сила, которая то л ка е т шар, — это ЦЕНТРОСТРЕМИТЕЛЬНАЯ сила, сила натяжения нити, направленная в центр круга Она не равна нулю, по9т о м у шар должен ускоряться. Он и правда ускоряется в направлении к центру круга, как и все предметы при круговом движении. V Почему же натягивается нить? И з- 3а ИНЕРЦИИ шара. Под действием этой инерции шар стремится ул е те ть вдаль по касательной, но нить постоянно т я н е т его внутрь круга — точно т а к же Зелмя удерживает Луну на круговой орбите. и В парке аттракционов можно о щ ути ть срау/ несколько мнимых сил. Посмотри на а т т р а к цион цилиндр раскручивает ся, людей вдавливает в стену, з а те м пол опускается, и они ока зываются словно «при колотыми» к стене/ Люди внутри ротора ощущают мнимую ЦрНТРОНВЭДУЮ силу, которая выталкивает их наружу. Однако сторонний наблюдатель знает, ч т о на них де йствуе т только ЦЕНТРОСТРЕМИТЕЛЬНАЯ сила, которая то л к а е т посетителей внутрь круга. В ускоряющейся или вращающейся системе появляются мнимые силы. Но сторонний наблюдатель м ож ет описать движение т е л в системе при помощи реальных сил и законов Ньютона. 67 Разных сил піак много, и кажется, ч т о классифицировать их просто невозможно. Однако физикам удалось показать, ч то ВСВ известные силы во Вселенной относятся к одному из Ш Л ■^о 8?ж Гравитационное Электромагнитное (притяжение и отталкивание заряженных т е л ) & С у б г т о т о е слъбог взаимодействие Сильное взаимодействие, удерживаю щее частицы в ядрах атом ов К с та ти , единственное фундаментальное взаимодействие, которое т ы ощущаешь, — ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ/ Когда т ы толкаешь с т е н у (а она о тта л к и в а е т тебя), т ы чувствуешь силы отталкивания между атомами, (илу тяготени я т ы т о ж е не чувствуешь — т ы ощущаешь электромагнитные силы со стороны пола, которые противод е й ствую т гравитации. Когда дей' с т в у е т только сила т я г о т е ^ З Н В » ^ л /л н е " “л (забудь// ния, т ы — в невесомости и не чувствуешь никаких сил. 60 ! «Центробежная сила» напоминает тяготени е — она то ж е вызывает одинаковое ускорение независимо о т массы тела. В о т почему для тренировки космонавтов мы можем смоделировать тяготен и е на огромной центрифуге. 69 и ОЙЗ Вернемся ко второму закону Ньютона, Р =■ та. С И М ® Ускорение — это скорость изменения скорости, поэтом у э т о уравнение можно масса к б ы стр о тт скорости Записать так: Ньютон же очытал, ч т о это уравнение должно быть таким: Ш М “ быстрота щш.тыир (масса к скорость) 9то т о же самое, только если масса не меняется/ 70 Величина «масса х скорость» называется. Наше уравнение указывает-, сила Зависит о т бы строты изменения импульса. Предмет с малой массой и небольшой скоростью, например коляска с ребенком, имеет маленький импульс. Не нужно прилагать больших усилий, чтобы уменьшить импульс коляски до нуля Сто есть остановить ееЛ А вот импульс грузовика 71 Давай подумаем, сколько времени нужно для полной остановки грузовика. Уравнение таково: сила = быстрота изменения импульса или сила ® изменение импульса время или сила х время = изменение импульса Ты СМОЖЕШЬ остановить грузовик сравнительно малой силой, ВСАМ будешь ^С/роьх Отш ^ толкать его достаточно долго. СтобС Сії Юга/ Произведение силы и времени называется М Ш У А Ш Ш Ш АЫ . Итак*. ММПУЛЬС Ш АЫ = ИЗМЕНЕНИЕ ИМПУЛЬСА. Небольшая сила, приложенная длительное врелля, вызовет такое же изменение импульса, как большая сила, приложенная короткое время. 72 Ои, ногам горячо » Обычно мы представляєм Иногда силу, необходи импульс силы как большую силу, действующую очень недолго, например при ударе битой по мячу. мую для изменения импульса, нужно снизить. Например, импульс парашютистки при приземлении с раскрытым парашютом все равно слишком велик. При приземлении на прямых ногах импульс мгновенно Задача бьющего — изменить импульс мяча со среднего снизится до нуля и колени м огут на большой и поменять его не выдержать/ направление на противополож ное. Так как бита касается мяча лишь долю секунды, сила должна быть очень большой. Лучше приземлиться с согцутыми коленями и перекатиться, чтобы увеличить время приземления и уменьшить силу. 73 Давай поговорим о взрывах и столкновениях, когда предметы сталкиваются или разлетаю тся в стороны. Скоро произойдет столкновение. о „<■ Скоро произойдет взрыв. Рассмотрим, к примеру, выстрел из пистолета. Его можно считать взрывом, ведь пуля л е т и т вперед, а пистолет о т д а е т назад. Для про с т о т ы представим, ч то пуля вы летает из дула под действием пружины: большое тп малое V СО> = і ■ -Д, малое тп большое V Распрямляясь, пружина действует на пулю с некоторой силой. По тр е ть е м у закону Ньютона, пуля д е й ствуе т на систему «пружина — пи сто л е т» с такой же силой, но в противоположном направлении. 9 т и силы вызывают протшоу\оло^ь\е изменения импульса. Так как масса пистолета больше массы пули, он отскакивает назад намного медлен нее, чем пуля вылетает из ствола. 74 В 9т о м случае общий импульс не изменится. Если пистолет и пуля изначально были неподвижны, их суммарный импульс равнялся нулю. Так как действие пружины не меняет общий импульс, конечный импульс то ж е будет равен нулю-, импульсы пистолета и пули противоположны. •СЕ) V пули Общий импульс до и после выстрела одинаковый. После недолгих споров ученые решили, как лучше сказать «импульс не меняется» по-научному щ г р к Сохранение импульса — следствие тр е ть е го закона Ньютона. Рассмотрим ракету, которая при взрыве разлетается на несколько частей, как ? т а ракета с разделяющейся боеголовкой. <3 Силы, действующие между частями ракеты, называются ВНУТРЕННИМИ. (Силы м огут быть и внешними — например тяготение}. По тр е ть е м у Закону Ньютона, все внутренние силы можно объединить в пары сил противоположной величины. Любая сила, действующая на какую-либо из частей, компенсируется противоположной силой, действующей на другую часть. Сумма $>тих сил равна нулю. <3 Следовательно, внутренние силы о При взрывах импульс сохраняется. Эт о же верно и для столкновений — их можно рассматривать как «взрывы н а о б о р о т» . 76 Наш пример с ракетой помогает понять тр е ти й закон Ньютона и закон сохранения импульса. Отработанные газы, вылетающие из сопла назад, придают ракете ускорение и тол каю т ее вперед. Еще пример: пред ставь, ч то у моего скафандра отказало устройство маневрирования. Как мне вернуться на корабль? Нужно бросить что-нибудь, например ключ, в противоположную сторону. & Если направить вентилятор в парус, г\отъ\вет ли лодка? Н е т / (Нужно, чтобы поток воздуха был частично направлен мимо паруса или отражался о т него в другую сторону./) Чтобы лодка поплыла вперед, нужно бросить что-нибудь назад. 77 Сначала закон сохранения импульса выводился из тр е ть е го закона Ньютона, но теперь ученые пришли к выводу: закон сохранения импульса более фундаментальный, а закон Ньютона — лишь его следствие. В любой Замкнутой системе по определению н е т внешних сил, поэтову импульс в ней сохраняется. Всю Вселенную в целом можно считать замкнутой системой ведь очевидно, ч то на нее не действую т внешние силы Значит, Ш 0Ш И Й Исаак Ньютон практически в одиночку создал науку механику, но упустил одно важное понятие — 9НБРГИЮ. . 79 Энергия сущ ествует во многих формах, но ее основное определение дается через I ненавистную ШОТУ. Все мы примерно представляем, ч т о такое работа. Ф и зики д а ю т ей точное определение-, работа совершается тогда, когда под действием силы Я”тело проходит расстояние <^. Работа определяется как трдаш а^акю а едой иь сшзтаяыкв В э т о м определении учитывается только сила в направлении движения. Бели я тяну тележку Работа на участке под углом, работу длиной 6. равна Р И х (1 совершает только горизонтальная часть силы. 90 Когда официантка держит поднос, она не совершает работы, т а к как приложенная сила перпендикулярна направлению движения. Когда я вращаю шар на нити с постоянной скоростью, т о то ж е не совершаю работу. Сила, направленная к центру, всегда перпендикулярна скорости шара (тангенциальной). Тем не менее я все же совершу работу в самом начале, когда начну раскручивать шар. К стати , а т о т же пример показывает*, при вращении Луны по круговой орбите Земля не совершает работы, ведь сила тяготения перпендикулярна направлению движения! 01 Пр П їІ ґ І¥А ^ и ІД у 'У ь определяется как способность совершит и иЦ//Ц работу. При выделении энергии соверша ется работа, а при совершении работы над преді^етої^ его 9нергия возрастает. Получается, ч т о работа и энергия ЭКВИВАЛЕНТНЫ, и можно записать: Единица энергии в британской системе — ^ У Т • ^УНТ, в метрической — Ты расскажи им о джоулях, а я попробую достучаться до истины... НЬЮТОН • МЕТР, или ДЖОУЛЬ. Т Итак*. 1 ДЖОУЛЬ — это возможность приложить силу в 1 НЬЮТОН на расстоянии в 1 МЕТР. Р = 1 ньютон 92 £ Ш Т № Ш ъ Ж Ш Щ Ш Ж Щ ? !# Представь, ч то я бросаю мяч. При э т о м я совершаю работу, т а к как прилагаю силу Р на расстоянии ё. Мяч получает энергию — энергию движения, или Ш Ш т а И Ж ) энергию. Простые расчеты* показывают, ч т о э т а энергия Ю Р * з І - и # % Здесь т — масса лмча, I» — его скорость. Г Теперь представь, ч т о я поднимаю | м / Ринго на высоту И. Я прикладываю силу VI/, равную его весу, на рас стоянии Н, т о есть совершаю работу А ^ » тдН. В верхней точке Ринго неподвижен, но его энергия увеличилась на т д Ь — просто потому, ч т о он находится в поле тяготения Земли. 9 т а энергия называется ^ В » ! 1» - в д § й _______________ * Пусть б — постоянная, б = та, значит, к.э. = Р • сі = тас^. Но с/ = ^-а£2, поэтову к.э. = у т(аЬ)г. Так как У = а£, к.э. = т у 2. Потенциальная энергия называется т а к потому, ч т о ее можно преобразовать в «реальную» кинетическую энергию. Для этого нужно всего лишь о т п у с т и т ь Ринго/ Он будет падать все быстрее, и его потенциальная энергия (будет постепенно превращаться в кинетическую. В нижней точке, перед ударом о Землю, потенциальная энергия Ринго будет нулевой — вся исходная потенциальная энергия превратится в кинетическую. Значит, Отсю да можно выразить V — скорость Ринго в момент удара: Последнее равенство ті)2 » тдН — пример * < Ш Ш §е д $ ^ ї ш % ш & Постепенно ученые поняли, ч то энергия, как и импульс, сохраняется. (Трудность заключалась в том , ч т о энергия в отличие о т импульса проявляется по-разному, например в виде тепла .) В о т один из примеров сохранения энергии. Если известна начальная скорость тележки И >0, мы можем найти ее скорость в любой точке — достаточно знать высоту! Пусть к — высота спуска, Ур — конечная скорость тележки. Имеем: Начальная энергия = у ± т у 2 - \ т у 2 + тдН, значит, + тдЛ Конечная энергия » тт г>2 * По закону сохранения энергии, эти величины равны. 05 У р / + 2 ф Ґ N По закону сохранения энергии, общая энергия системы не меняется, но переходит из одной формы в другую. Как изменится энергия Ринго при ударе ( ••• Как имой\ < к Ч: о пол? И кинетическая, и потенциальная энергия исчезнут ! у' Т ч • Куда же они делись? V У Рассмотрим момент удара. Часть энергии превратится в часть уйдет на деформацию пола и самого Ринго. Еще часть, точнее, большая часть энергии, превратится в После столкновения Ринго и пол немного нагреются, т а к как при ударе молекулы «встр яхнутся», а тепло - э т о не ч т о иное, как кинетическая энергия миллиардов молекул/ V шр-шр Энергия постоянно переходит из од ной формы в другую. Благодаря науке Кинетическая энергия переходит в тепло. известно, ч то кинетическая $>нергия легко превращается в тепло, а вот преобразовать тепло в кинетическую энергию куда сложнее. Преобразователь тепла в движение Двигатели автомобилей преобразуют тепло в движение, но не очень эффективно. Любой машине нужна систем а охлаждения, и много тепла т р а т и т с я впустую. Тем не менее энергия сохраняется всегда. Другими словами: тепло на входе Гс о в е р ш е н н а я “ ( ра во т а + тепло НА ВЫХОДЕ Когда я поднимаю Ринго, его анергия в о зр аста е т. О ткуд а она б е р е тс я? 9 т о энергия мышц, т о е с ть химическая энергия, выделенная при переработке еды в моем организме. Химическая энергия — форма потенциальной энергии, р е зул ьта т особого расположения электронов в электрическом поле молекул. ! ') ~ Химическая энергия п о с ту па е т из растения, которое я съела Ся вегетарианец). Растение преобразовало энергию солнечных лучей в химическую энергию в ходе ф отоси нтеза. т ^ (< , Солнечные лучи — р е зу л ь та т термоядерной реакции на Солнце. /, А ядра атомов водорода на Солнце появились из 9нергии, выделенной в момент создания Вселенной — при И даже 9нергия, затраченная автором 9того комикса, берет начало из Большого взрыва/ 09 Столкновения — прекрасный пример сохранения импульса и энергии. Рассмотрим столкновение предметов с землей. Будем бросать на землю шарики из разных материалов и посмотрим, как высоко они будут отскакивать. Как видишь, одни отскакивают выше других. Мокрые Дерево Сталь Резина тряпки Жвачка для рук Если шар отскакивает на исходную высоту, т о столкновение называется АБЄ А П 0 90 Столкновения бывают разными, о т абсолютно 8 I упругих до абсолютно неупругих. При абсолютно неупругом ударе мяч вообще не отскакивает о т земли, как, например, комок ваты, тряпок или пластилина. 5 |Ц . І Л Е П 1 <?1 1 Н >I ^ © ,) о| [ч^_— Г.=Д=а=^ — — — д|- ■ —т I ГАбсолютно неупругий - ~н"• -.. |‘ Слегка Абсолютно упругий упругий При абсолютно упругом ударе кинетическая анергия вообще не переходит в тепло, а скорость шара после удара точно равна скорости до удара. і »у 1 Є V 0 I V Упругий 1 8 5 ! ІІ При неупругом ударе кинетическая анергия предмета частично или полностью теряется. . ® _ / 0 -____ ш § , V 1 Иеупругий I Частично неупругий Абсолютно упругие удары встречаются и в реальном мире — а т о столкновения атомов. К стати , тепло — & & а т о кинетическая анергия множества беспорядочно > \ Л движущихся атомов, поэтому на уровне 1-2 атомов тепла не сущ ествует / 91 Рассмотрим абсолютно неупругий удар. Груженый товарный вагон массой 10ОООО кг катится со скоростью 3 м/с и ударяется о неподвижный вагон массой 5 0 0 0 0 кг. При столкновении срабатывает сцепка П Ц Ш П (п о это м у П удар неупругий). Ч т о будет дальше? Т Г Т Г У Решение. Нужно найти скорость сцепленных вагонов. Обозначим ее Имеем'. Начальный импульс = ІООООО кг х 3 м/с Конечный импульс =■ 15 0 0 0 0 кг х у Так как импульс сохраняется, эти величины равны: 150000 кг X у = 5 0 0 0 0 0 м • кг Значит, V®I. м/с 92 V. Задача. Ф у тб о л и с т массой <30 кг бежит на север со скоростью 3 м/с. В него врезается соперник массой 100 кг, бегущий на восток со скоростью 2 м/с. Найди скорости футболистов после столкновения. Импульс, напр, на восток, = 2 0 0 -м ^ кг Импульс, напр, на север, = 2 4 0 м ' кг = 1 0 0 кг Общая масса Имеем: Итоговая скорость в напр, на восток И тоговая скорость в напр, на север = 2 0 0 / 1 0 0 = 1,1 м/с = 2 4 0 / 1 0 0 * 1,33 м/с Г \ И тоговое направление задается суммой векторов: Длина стрелки укажет скорость футболистов: 1,33 с » №. 1 , 7 м / г -м~К 1,1 В V У 93 ...и другой о т л е т и т в сторону/ /»\ 'Ть’і^ц Кинетическая 9нергия сохраняется, значит, удар упругий. V __________ _________________ _ С . . . Почему о тл е те л один шар, а не два, но в два раза медленнее? В таком случае импульс бы сохранился: ту=^ту-\г-ту. г г не сохранилась бы кинетическая 9нергия. Для шара слева к.9. ~^тг>г. Для двух шаров, движущихся в два раза медленнее, к.9. » ^ т ( ^ у ) 1 + ^ т ( ± у ) г * * ±-т пу2* 4 *і-т у г. V _ __________________________ ____ 94 . Если шаров всего два, имеем упругий удар двух те л равной массы; Движущийся шар «зам ирает» на м е с те и передает весь импульс и кинетическую 9нергию второму шару. Почти т а к же сталкиваются бильярдные шары. Правда, в э т о м случае часть кинетической 9нергии уходит на шара, но о б 9 т о м в следующей главе.., «О Л ч Все мы понимаем, ч то любой массивный предмет, например барабан в телеигре «Колесо фортуны», обладает т Щ л ш д а р а в д о Его тяжело раскрутить, а когда он наконец приходит.в движение, т о долго крутится, пока не остановится под действием трения. Обычная инерция препятствует ускорению, а инерция вращения — угловому ускорению. 96 Наверное, т ы догадываешься, ч то инерция вращения Зависит не только Большая инерция о т массы, но и о т того, вращения; те л о как 9т а масса распределена. тяжело сдвинуть Чем дальше масса о т центра, т е м больше ее инерция вращения / Малая инерция вращения-- те л о легко сдвинуть. Давай скатим колесо с тяжелым ободом и колесо с тяжелой ступицей с наклонной пюскосуг\\л. Второе колесо быстро вырвется вперед, т а к как раскрутить его легче, чем первое. Если инерция вращения — аналог массы, то каков аналог £МЛЫ? На рисунке Ринго открывает масочную дверь: он взялся как можно дальше о т петель и прикладывает силу перпендикулярно двери. Такой же принцип действует и тогда, когда мы откручиваем гайку ключом: мы беремся за ключ как можно дальше о т гайки и прикладываем силу перпендикулярно ему. Величина Гх — длина перпендикуляра о т точки вращения до линии приложения силы — называется ПЛЕЧОМ РЫЧАГА. Произведение силы на плечо рычага называется Момент сит - Р • (2 9т о аналог силы при описании вращения. Заметь, ч то если сила ^перпендикулярна радиусу (ключу}, т о ^ буд ет наибольшим. Другими словами, Эффективнее всего приложить силу перпендикулярно/ 99 Последнее понятие, применяемое при описании вращения, — это По аналогии с линейным импульсом ("произведением массы и скорости} момент импульса определяется так; ыт?щя ВРАЩЕНИЯ X УГЛОВАЯ С ("Угловая скорость — это скорость вращения. Ее можно выразить в оборотах в секунду.} В отличие о т массы, инерция вращения м ож ет меняться «на л е ту» , если масса перераспределяется Из-за этого вращательное движение сложнее линейного. Рассмотрим, например, вращение фигуристки... 100 Вспомни: в отсутствие внешних сил импульс сохраняется. Так и сохраняется в о т с у т с т в и е внешних Щ З Д ® ^ <2Ш 0 Ьда^ишУ Ф игуристка начинает вращаться, Когда она сгибает руки, ее инерция вытянув руки в стороны. вращения уменьшается. М о м е н т импульса о с т а е т с я неизменным, значит, угловая скорость возрастает! В ? т о м отношении фигуристка напоминает коллапсирующую звезду*, их моменты импульса сохраняются/ Когда вращающаяся зее30а Ч тобы м ом ент им В и то ге звезда превра умирает, она начинает кол- пульса не изменился, щ ается в сверхплотный лапсировать под действием она ускоряется. сгусток вещества, собственного тяготения. совершающий множество оборотов в секунду. большая инерция вращения х малая скорость вращения малая инерция вращения х большая скорость вращения 101 Вращательное движение т а и т в себе немало сюрпризов. В о т велосипедное колесо, подвешенное за один конец оси. Разумеется, оно падает набок. ... а если быстро вращается, т о не падает, а ПРБ1!]Е££ИРУЕТ/ 9 т о Значит, ч то ось колеса вращается в горизонтальной ^ Прецессия плоскости. Вращение Еще один пример — юла. Под действием силы тяготения она не падает, а прецессирует. А под действием момента силы, возникающего из-за притяжения Луны, прецессирует земная ось: она делает один оборот в 26 лет. 102 Давай устроим итоговую проверку наших знаний механики. Н ет, мы попробуем разобраться, ч т о такое прецессия. Но сначала — одно замечание о линейном движении. Представь, ч т о те л о находится в покое и на него д е й ствуе т сила. Тело начинает ускоряться в направле нии действия силы. Тело в покое Д е й с т в у е т сила (тя го те н и я } Р а с т е т скорость в направлении действия силы Но если тело уже движется, а сила действует под прямым углом к направлению движения, получится РАВНОМЕРНОЕ КРУГОВОЕ ДВИЖЕНИЕ. била «скругляет» направление скорости, но не меняет ее величину. Меняется направление, Тело и м е е т начальную скорость но не величина скорости Сила д е й с т в у е т перпендикулярно движению Сила по-прежнему перпендикулярна движению ЮЗ Н ечто похожее происходит и при вращении: когда колесо не крутится, момент силы, производимый весом, вызывает угловое ускорение колеса вокруг оси момента — Здесь 9т о ось у. Но если колесо вращается вокруг оси х, у него уже есть момент импульса. М омент силы добавляет частичное вращение вокруг оси у, перпендикулярной оси вращения х. Итоговая ось вращения будет повернута немного в сторону в плоскости ху. Дополнительное вращение вокруг оси у М омент силы всегда де йствуе т перпендикулярно оси вращения, поэтому прецессия не прекращается. Здесь, как и при линейном движении, изменяется направление, но не скорость движения. 104 В рассуждениях на предыдущей странице мы применили понятия момента силы и момента импульса. Они, по сути, следуют из второго закона Ньютона Р = та. Посмотрим, можно ли объяснить прецессию одним 9т и м законом. Под действием м ом ента силы т я ж е Рассмотрим вращение части колеса. с т и колесо стр е м и тся опрокинуться. В верхней половине колеса на нее Значит, на верхнюю половину колеса д е й с тв у е т сила, направленная наружу. д е й с тв у е т сила, направленная наружу, а на нижнюю половину — сила, направ ленная внутрь. на колесо Значит, 9 т а часть ускоряется Максимальной скорости, направленной НАРУЖУ и д о с т и га е т ВНУТРЬ, она д о с т и гн е т в точке максимальной скорости на границе перехода из нижней части в верхнюю. между верхней и нижней П о это м у колесо не падает, а прецессирует ! 103 Я т а к долго объяснял прецессию только для то го , чтобы показать, какие сложные задачи помогает решить п^остог уравнение Р » гш. В $>том смысле физика поистине удивительна. К т о знает, может, в будущем мы СУМЕЕМ свести всю физику Вселенной к одной странице уравнений/ •ЧАСТЬ ВТОРАЯ* ш т іс ш Перейдем о т механики к электричеству и магнетизму. В механике мы рассмотрели основное свойство материи, которое называется МДС£Д. Основное понятие электричества — э т о ЗДРЯД. д © ч ^ © и (= > ® © и ® 0 © ' .' Понятие теории электричества Заметь, ч т о механика не объясняет, ч то такое масса, а лишь указывает, как она себя ведет. Так же и в электричестве и магнетизме объясняется лишь поведение зарядов, а не их смысл. ш Получить небольшой за?яд нетрудно — просто потри Закрепи заряженную палочку в держателе, поднеси к ней резиновую расческу о волосы или резиновую палочку о мех. другую палочку с таким же Зарядом, и они ОТТОЛКНУТАЯ друг о т друга. §4=* Такие эксперименты показывают; Но если потереть пластмассовую палочку о шелк... бывает вида заряда. т о резиновая палочка притянется к ней/ 4 е— 4 Одинаковые заряды ^ отталкиваются, / дю^лю а разные — I шелк! притягиваются/ 112 0706-1790) назвал эти два вида заряда ПОЛОЖИТЕЛЬНЫМ и ОТРИЦАТЕЛЬНЫМ. Теперь мы знаем, ч т о вся материя состоит из атомов, содержащих отрицательно заряженные ЭЛЕКТРОНЫ, которые вращаются вокруг ядра. Ядра атомов с о с т о я т из положительно Заряженных ПРОТОНОВ и НЕЙТРОНОВ, не имеющих заряда. Заряды электронов и протонов равны по величине и противоположны. В нормальных атом ах электронов ровно столько, чтобы компенсировать заряд протонов в ядре. Получается, ч т о а т о м не им еет заряда. В / Г \ \ ч — - Г / Но если удалить из атом а электрон, т о а т о м превратится в положительно заряженный ИОН. Заряженный предмет притягивает нейтральные предметы. Резиновая расческа, заряженная отрицательно о волосы Ринго, притягивает кусочки бумаги. Это происходит потому, ч т о бумага И Я М » отрицательно заряженная расческа отталкивает электроны и притягивает положительно заряженные ... но положительный заряд ядра атомов в кусочках бумаги. Происходит оказывается ближе к расческе, смещение заряда ! В целом кусочек бумаги нейтрален... притягивается к ней сильнее, чем отрицательный. В резуль т а т е положительный заряд чем отрицательный заряд отталкивается о т нее! Из этих наблюдений можно сделать вывод-, электрическая сила о с тв ш т С УВЕЛИЧЕНИЕМ РАССТОЯНИЯ. 114 Если потереть резиновую палочку о мех, часть электронов перейдет с меха на палочку, и палочка зарядится отрицательно (а мех — положительно). ^ ( В > Ф Точно т а к же часть электронов переходит с пластмассы на шелк, и пластмасса приобретает положительный заряд. о в і с Заряд электрона — э т о элементарный электрический заряд. Он легко распространяется между предметами или внутри одного и т о г о же 115 Такие материалы, как резина, стекло и пластмасса, называются их поверхности можно придать заряд, но он не распространится дальше, Резина бтекло а останется на месте. Пробка В металлах, например в меди, сереб ре и алюминии, электроны движутся легко и свободно. Металлы — ПРОВОДНИКИ электричества, а т о , ч то мы назы ваем «электричеством », — всего лишь поток электронов. г л и т м ж (1736-1 806), проведя измерения, определил■электрическая сила, точно как тяготение, убывает пропорционально квадрату расстояния. Закон Кулона для электростатического* взаимодействия очень похож на закон тяготения Ньютона • р и ^ у =* к „ г ^ * «Электростатический» означает, что заряды неподвижны. В уравнении Кулона ^ и ^ — заряды, г — расстояние между ними, к — постоянная, похохзя на £ в законе тяготения. В стандартных единицах /с» 9 х Ю 9. Единица измерения заряда называется сдаю. Заряд электрона равен е ~ - 1 , 6 х Ю -19 кулона. Ко насколько похожи сила тяготения и элек тростатическая сила? 117 Х о тя закон электростатического взаимодействия очень похож на закон всемирного тяготения, между ними есть важные отличия. К примеру, тяготени е всегда означает притяжение, а заряды м огут как притягиваться, ^ ( Моя сила не Ь У отталкивает. ! 4 } Г юі Аеаш 1 характер 1 напротив' V напротив. т а к и отталкиваться гттГГГ~Т^^ ^ ^ ^ т і т Кроме того, электрические силы намного больше сил тяготения. Если переместить всего с т о миллиардов электронов с пластмассовой палочки на резиновую, т о между ними возникнет заметная сила притяжения. А силу тяготения о т всех Юи (10 15миллиардов) атомов в палочке не м о гут обнаружить даже самые чувствительные приборы/ / \ Заряд сохраняется — это зна ч ш п , лггіи чит, ч то иуп\п\а сумма мі//ил/м*т' положительных ( ЛЕЛ?, | и отрицательных зарядов в замкнутой системе ~ меняется. .................. но XI) X Когда палочка заряжается о мех, положительный Заряд меха с о о т в е т с т в у е т отрицательному Заряду палочки. + + к П А Р Ы М О Ж Н О о ° о Позитрон Гамма-луч Это происходит благодаря галлма -лучам — потоку частиц с очень высокой энергией. При прохождении возле ядра атом а гамма-луч мож ет создать две частицы*, отрицательно заряженный электрон и положительно заряженный позитрон. При их столкновении образуются новые гамма-лучи. 1 Электрон Ядро /\ 4А Гамма-лучи Чч Нам неизвестен ни один физический процесс, позволяющий создать или уничтожить один непарный заряд ! ' З ато мы открыли несколько новых способов выпрямления В домашних условиях можно изготовить прибор для получения электричества под названием ЭЛЕКТРОФОР Стальная £такан из пенопласта пластина Клей Изолирующая основа Тебе понадобится пластмассовый лист Сдля основания} и круглая стальная пластина с приклеенной к ней изолирующей ручкой — например стаканом из пенопласта. П отри основание шелком, мехом Положи стальную пластину или шерстью, чтобы зарядить его. на основание и прикоснись к ней пальцем. Поднесешь к ней палец — проскочит искра... ... поднесешь люминесцентную лампу - она ярко вспыхнет. ' / I 121 * У этого эксперимента есть интересная особенность-, пластину можно перезарядить, прикоснувшись к ней пальцем, и натирать основание при э т о м будет не нужно. .і Почему т а к происходит? Откуда берется энергия искры, если заряд основания почти не расходуется? Натирая основание, мы заряжа ем его положительно. Когда Твое тело действует как ?АЗЕМЛЕИМЕ — хранилище положи мы кладем на него пластину, тельных и отрицательных зарядов. Так как пластина получает заряд о т твоего тела, эксперимент она соприкасается с ним лишь в нескольких местах-. можно повторять бесконечно. Так как основание — изолятор, на пластину перетекает мало заряда. Когда т ы касаешься пластины, электроны из твоего тела притягиваются к положи тельному основанию, перетека- Откуда берется энергия искры? Ее источник — сила, которую мы прикладываем, чтобы оторвать отрицательно заряженную пластину о т положительно заряженного основания/ V - - ^ V_____________ 122 Земля притягивает Луну, хотя их разделяет много тысяч километров пути. Так и 9лектрический заряд д е й ствуе т на заряды, расположенные далеко о т него. Как один предмет м ож ет действовать на другой, которого он не касается? Как сила м ож ет преодолевать пространство? Как быстро она перемещается? 123 Чтобы о т в е т и т ь на эти вопросы, представим, ч т о Земля наполняет пространство Ш © ій И Ю о 9 т о поле (ч то бы э т о ни значило.9 , которое действует с силой на тела внутри его. Так и заряд наполняет пространство Ш © й \Е Ш о Если в электрическом поле находится другой заряд, на него действую т электрические силы! Чтобы изобразить электрическое поле, представь, ч то мы несем пробный положительный заряд и отмечаем, в каком направлении на него де йствуе т сила. На рисунке Ринго держит положительный заряд, а я ношу пробный заряд вокруг него. 124 Обозначив стрелками направление действия А если мы соединим стрелки силы (длина стрелок пропорциональна величине Ш АО ВЫ М И ЛИНИЯМИ, силыЛ мы сможем увидеть электрическое получится в о т ч то : поле заряда Ринго*. Лиловые линии помогают наглядно представить электрическое поле. В о т пример с двулля притягивающимися зарядами*. / Помни*, все > /линии указывают действие поля на ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЙ V заряд/ У Лиловые линии выходят из положительного заряда и входят в отрицательный. Отрицательный заряд притягивает пробный положительный заряд, где бы т о т ни находился. 125 Так как электрическое поле д ействует на заряды с силой, положению частицы в поле с о о т в е т с т в у е т определенная энергия. На рисунке Ринго держит положительный заряд, а я подхожу к нему, держа в руках пробный положительный заряд. По мере приближения пробный заряд отталкивается, и его приходится тол кать с некоторой силой. Произведение силы на расстояние равно рабо те - я совершаю р аботу над пробным зарядом. Говорят, ч т о работа переходит в пробного заряда. Бели я отпущ у заряд, потенциальная энергия перейдет в кинетическую, и он улетит. Хотелось бы выразить потенциальную энергию только через электрическое поле заряда Ринго. Разделим ее на величину пробного заряда и запишем-. потенциальная энергия Потенциал * --------- --------------- -----заряд Вот она, \ формула моего . потенциала.. Мы определили новую величину — электроста тический потенциал*. Потенциал указывает энергию заряда и измеряется в джоулях на кулон, или в , _ джоуль 1 вольт * 1 —— — кулон В э т о м определении, как и в любом другом, важно прежде всего понимать, ч т о же происходит. Вели на батарейке написано « 6 вольт», э т о значит, ч т о она о т д а е т б джоулей энергии каждому заряду в 1 кулон, перемещенному между ее полюсами. * Существует и гравитационный потенциал. Если п.9. = тд/ч, т о величина п.9./т = д/ч характеризует способность поля тяготения передавать энергию телу массой тп на высоте Н. 127 ...что же такое ЗАРЯД? Неужели его просто взяли и придумали? Ну ладно, в о т заряд. Но я все узвио ие понимаю... 0 Как оно н^ожет действовать с силой? И ч то еще за «электрическое поле»? Я, КАК ЮТДА» ЗАПУТАЛО! Оно «заполняет пространство», как вообще оно гложет ДЕЙСТВОВАТЬ? Увы, Ринго, т у т т ы прав... Классическая Хмм... теория электричества и магнетизма не д а е т о т в е т ы на эти вопросы — она только описывает поведение зарядов и полей. Потерпи до конца книги — т а м я немного расскажу о кванто вой теории, он а-то и объясняет, ч то такое заряд и поле на самом деле. 126 Конденсатор состоит из двух проводников, разделенных изолятором, — например из двух металлических пластин, между которыми находится воздух. Чтобы зарядить конденсатор, нужно убрать часть заряда с одной пкастины и пом естить на другую пластину. конденсатор Для это го проще всего ненадолго подключить конденсатор к батарее — она «перекачает» Заряд с одной Выключатель пластины на другую. Батарея 129 При включении выключателя возникает поток электричества, и на конденсатор поступа 4 4^ е т заряд. Величина заряда пропорциональна напряжению батареи (в вольтах}. Имеем'. 4 <?=С- V заряд * постоянная • напряжение Постоянная С — это число, ко торое зависит о т характеристик конденсатора и называется ЕМКОСТЬЮ. Единица емкости называется Ф АРАД в честь Майкла 0 7 9 1 -1 8 6 7 }. Чем выше емкость, т е м больше заряда мож ет хранить конденсатор. Емкость, в свою очередь, прямо пропорциональна Видишь, они притягиваются? площади пластин и обратно пропорциональна расстоянию между ними. Чем больше пластины и чем ближе они друг к другу, т е м больший заряд они м о гут удерживать. по Конденсаторы, применяемые в электронике, м огут быть сделаны из двух алюминиевых пластин, разделенных специальным веществом... ... и свернутых в рулон. Когда конденсатор заряжен, его можно отключить о т батареи, и он сохранит Заряд на несколько минут или даже часов. Впрочем, заряд буд ет медленно теряться. Если ош оуот о со&мешитъ выводы конденсатора, по проводам п о т е ч е т заряд, и пластины разрядятся. 9 т о т п\>ои,&сс называется разрядкой конденсатора. 131 Посмотрим, как можно использовать конденсаторы для хранения заряда и энергии. К примеру, в фотовспышке установлен большой конденса тор, который хранит энергию для импульсной лампы. Он заряжается о т батареи около ЪО секунд, а потом, когда нужно, мгновенно «сбрасывает» весь заряд на лампу/ При зарядке конденсатора положительные и отрицательные заряды « с м о т р я т » друг на друга и удерживаются по разные стороны изолятора. При этом , разумеется, возникает электрическое поле! Когда возле отрицательной пластины появляется электрон, под действием поля он ускоряется в сторону положительной пластины. Если проделать в ней небольшое отверстие, т о электрон проскочит сквозь него. 9т о энергия одного электрона, если Введем новую единицу энергии — пластины заряжены до 1 вольта. Если пластины заряжены до 1 0 0 вольт, энергия электрона б у д е т равна 10 0 эВ. Для перевода эВ в джоули вспом ним Современная техника позволяет определение; получать энергию в несколько миллионов электронвольт. При таких потенциал * энергия / заряд энергиях электроны движутся почти со скоростью света, и для их описания 1 9 І * заряд электрона нужна теория относительности. X 1 Вольт » = 1,6 X 1 0 -19 Кл X 1 Д ж /К л» =и х 10-19дж Сто есть 0,00000000000000000016.9 133 4 № Ж Ш Ж Й ж Итальянский физик Алессандро Джузеппе Антонио Анастасио 0 /Джузеппе I Антонио? прославился не только тем , ч т о без запинки выговаривал свое имя, но и те м , ч то в 1794 году изобрел электрическую батарею. Вольта обнаружил: если опустить два разных металла в соляную ванну, возникнет разность потенциалов. 9 т о значит, ч то заряд « х о ч е т » перейти с одного металлического стержня на другой. Если соединить их проводом, по нему п о т е ч е т заряд. Здесь — потенциал В о т простой «элемент Цинковый гвоздь Медный гвоздь Вольта» с потенциалом почти в целый вольт: это лимон и два гвоздя / При последовательном соединении их потенциалы складываются, и получается большое напряжение: 1вольт 1 вольт 1 вольт Всего 4 вольта Батарейка в фонарике — это на самом деле один «элемент Вольта». Настоящая батарея, например автомобильная, состоит из нескольких элементов, соединенных последовательно, как на рисунке. В о т их обозначения: 1 вольт В о т простая цепь; лампочка Батарея непрерывно «перекачивает» подключена к батарее проводами. заряд по цепи, и лампочка светится. Такой поток заряда называется ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ Т ® В € о £ыла тока измеряется в кулонах в секунду, иначе говоря, в амперах* Вдоль провода часто рисуют стрелку о т положительного полюса батареи к отрицательноллу. Она как б уд то бы указывает, куда движется положитель ный заряд. Такой т о к называется условнылл. Реальный т о к — это поток отрица тельно заряженных электронов в противоположнолл направлении. В большинстве случаев различия между условным и реальным током незаметны. 136 Чтобы не запутаться во всех этих понятиях, рассмотрим пример из механики: і? Представь, ч то электрический т о к — э т о вода в трубе. Тогда выполняются соответствия*. 9лектричешео Вода 1 кулон заряда 1 литр воды ампер 1 литр в секунду батарея насос разность потенциалов давление насоса провод труба Чтобы получить сильный поток воды или ток, нужно большое давление (высокое напряжение;. Р 1 @[Р[Г © И 0 799-Ю 54) выразил э т о в Нить накала в лампе похожа на участок трубы, наполненный камнями, который £ОПРО”ШВАЯБТ£Я потоку воды. К стати , при трении о воду камни нагреваются/ £ила тока I равна напряжению Д деленному на сопротивление і?. Чем выше напряжение, т е м больше сила тока при постоянном сопротивлении. « Я : (Закон Ома, в отличие о т закона Кулона, не универсальный, но выполняется во многих случаях.} Сопротивление измеряется в 0№М и зависит о т материала, площади сечения и расстояния, которое должен пройти ток. £нова представим поток воды в трубе, наполненной камнями. В трубе двойной длины сопротивление вдвое больше обычного. В широкой трубе сопротивление меньше — в ней больше свободного места, поэтому вода т е ч е т свободнее. Кроме то го , сопротивление зависит о т формы камней. гс Длинная труба, большое сопротивление Короткая труба, малое сопротивление Широкая труба, малое сопротивление Узкая труба, большое сопротивление М Гладкие камни, малое сопротивление Шершавые камни, большое сопротивление Так и сопротивление провода пропорционально его длине и обратно пропорционально площади его поперечного сечения. Разные материалы, как и разные виды камней, им ею т разное УДЕЛЬНОЕ £ОПРОТШЛЕНИЕ. У хороших проводников удельное сопротивление небольшое. Хорошие про Плохие проводники водники с низ с высоким удельным ким удельным сопротивлением: сопротивлени пластмасса, ем; серебро, бумага, ткань. Золото, медь, алюминий. Нити накала в лампочках чаще Нить накала всего делают из ВОЛЬФРАМА. Его удельное сопротивление должна иметь большое намного больше, чем у меди, Значит, сопротивление ние, чтобы сопротивле «рассеивать» по сравнению с медным электрическую проводом т о г о же размера энергию в виде будет выше. света. Удельное сопротивление Зависит и о т температуры. Для большинства материалов оно медленно возрастает при нагреве, т а к как колебания молекул п р епятствую т потоку зарядов. 139 У некоторых металлов, например р т у т и и алюминия, при очень низких тем пературах удельное сопротивление п ад ает до Вблизи абсолютного нуля 3X < се> 3 £ о оX о 43 о X -О < (-2 .7 3 ° по Цельсию} эти металлы проводят электричество без сопро тивления, п оэтом у они называются 0е Температура СВЕРХПРОВОДНИКИ Замечательнее всего т о , ч то сверхпроводники м огут проводить огромные токи, не расходуя энергию в виде тепла. 9т и токи м огут сохраняться несколько л е т без потерь энергии. Сверхпроводники очень дорогие и применяются в ускорителях частиц, где для сверхмощных электромагнитов нужны огромные токи. 140 г л В 1966 году ученые открыли несколько новых сплавов, обладающих сверхпроводимостью при более высоких температурах — около -16С>°£. По сравнению с абсолютным нулем — просто теплая ванна / V ___________ ________________________________________________________________ 9 т и сплавы можно охладить недорогим жидким азотом . М ож ет быть, через несколько л ет мы увидим результаты их использования на практике — например поезда на магнитной подушке. Вернемся к нашей простой цепы — маленькой лампочке, подключенной к С-вольтовой батарее медным проводом. П усть ныть накала лампы ымеет сопротывленые Ь ом. Тогда, по закону Ома, сыла тока равна*. X * Ш ? » 6 олл = | ампер Сопротывленые медного провода очень мало — меньше 1/100 ома, позтом у ым можно пренебречь*. Выкрутить лампочку. 2. Сунуть палец в патрон. 3. Посмотреть, насколько встанут дыбом волосы? Но как ызмерыть $>ты велычыны в цепы? Только если провод не слишком длинный и не слишком тонкий. 142 А за 7995,99 $ у него £удет полный привод и магнитола/ Всего за 10 долларов можно купить МУАЬТММБТР, который укажет напряжение, силу тока и сопротивление. Чтобы измерить напряжение, подключи мультиметр ПАРАААБАЫНО лаллпе или «батарее. При подключении параллельно лампе он укажет ПА^БНМБ НАПРЯЖЕНИЯ на ней. «Падение» напряжения указывает, сколько энергии на единицу заряда А права на 5>ту штуку нужны? выделяется в виде света и тепла. 143 Если подключить мультиметр Здесь вольтм етр с одной стороны о т лампы, он покажет почти нулевое напряжения значение, ведь для того, чтобы на батарее. указывает повышение т о к прошел по медному проводу, достаточно небольшого напряжения. Если же подключить щупы мультиметра с разных сторон Здесь он батареи, он укажет повышение указывает падение напря напряжения — энергию, подаваемую в цепь батареей, в пересчете на единичный заряд. 0 жения на участке провода. Чтобы измерить Ш А У ТОКА, нужно разомкнуть цепь и подключить в нее амперметр. В нашей простой цепи сила тока везде одинакова. Чтобы измерить ее, нужно, чтобы т о к пошел через амперметр. 144 Измерить сопро тивление нити накала лампы Или вычисли сопро можно напрямую: показания выкрути лампу, вольтметра переведи муль и амперметра. тивление по закону Ома, записав т и м е т р в режим измерения сопротивления и подключи к лампе. Эти два результата буд ут немного отличаться: когда лампа включена, нить накала нагрета до большой температуры (и ее сопротивление выше}, а когда мы измеряем сопротивление лампы отдельно, нить накала холодная. Еще одна единица измерения в электричестве — э т о •V® '? н і • единица Мощность определяется как 9НЕРҐМЯ в единицу времени. Она указывает, как быстро выделяется или потребляется энергия. Мощность имеет смысл и в механических системах'- например, мощная машина быстро разгоняется. Мощная лампа излучает много света в секунду. По определению, ВАТТ равен одному ДЖОУЛЮ і СЕКУНДУ, поэтому его можно выразить через вольты и амперы. М ощ ность (з в а т т а х } » джоуль/секунда джоуль * — кулон кулон х ----------- секунда ВОЛЬТ X м » Мощность равна произведению НАПРЯЖЕНИЯ на СИАУ ТОКА: в а т т = вольт х ампер В нашем примере с лампой на С Ом, подключенной к ^-вольтовой батарее, сила тока равна 1 амперу, а мощность равна /Р ^ 6 вольт х 1 ампер ^ » І І1 Ш Ш 147 Теперь подключим три одинаковые лампочки к батарее ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО, т о есть одну За другой. . Мы сравнивали нить накала лампы с участком трубы, который наполнен камнями. Теперь на пути тока лежит в три раза больше камней. * Мы предполагаем, что сопротивление лампы не зависит о т силы тока. На самом деле 9то не так, ведь о т нее сильно зависит температура нити накала. 146 Сопротивление утроилось, Значит, сила тока уменьшится в три раза. Разумеется, сила тока на каждой лампе должна быть одинаковой: зарядам больше некуда деваться, а накапливаться в цепи они не м о г у т . Л Подключив щупы мультиметра к лампам, мы увидим, ч т о падение напряжения на каждой равно т р е т и напряжения батареи. Лампы делят напряжение между собой, и суммарное ПЛДЕКМБ н а п р я ж е н и я на них должно равняться напряжению батареи. 149 В 6о№& общем случае, когда сопротивление элементов отличается, падения напряжения Ц, 0г и О обозначают энергию, потребляемую лампами*, — энергию, преобразованную из электрической энергии в свет и тепло. и Общая энергия, потребляемая лампами, должна равняться энергии, которую выделяет батарея. Значит, сумма падений напряжения должна равняться напряжению батареи. 9 т о правило называется первым правилом Кирхгофа: & *»' щ щ т 9 " ''ч / (г ч - т При последовательном соеди нении сила тока и напряжение на каждой из тре х одинаковых ламп будут в три раза меньше, чем на одной лампе, подклю ченной к батарее напрямую. Так как мощность равна про изведению напряжения на силу тока, каждая лампочка с в е ти т в девять раз слабее обычного/ * Не забудь; напряжение — это энергия на единичный заряд. 150 , и т . д.) Теперь подключим лампы ПАРАЛЛЕЛЬНО-. Каждая лампа подключена к батарее напрямую, других ламп между ней и батареей нет. Так каждая лампочка получает полное напряжение и светит т а к же ярко, как обычно. Проводка в домах прокладывается именно так, чтобы обеспечить полное напряжение на всех электроприборах. V - ___________________________________________________________________ У При параллельном соединении ТОК делится на три части и т е ч е т по тр е м участкам цепи. Общее СОПРОТИВЛЕНИЕ цепи равно одной т р е т и сопротивления одной лампы, ведь сечение нашей «трубы с камнями», по которой т е ч е т вода, утроилось. Следовательно, по закону Ома, через всю цепь в целом сможет пройти в три раза больше тока. 151 Подведем итог. При параллельном соединении напряжение на всех участках цепи одинаково, а сила тока Гна каждом участке, по закону Ома I * £///?, обратно пропорциональна сопротивлению. 1 . 4 1 *, 2 /?. I X » Х2 + Х? Нему равна сила тока на разных участках цепи? £умма токов, входящих в любой узел цепи, должна быть равна сумме токов, выходящих из это го узла. Ток — э т о поток заряда, а заряд сохраняется. Х 2 +■ Х ? 9т о I, = ■ > / ?, > Г 2 + Г, £умма токов, входящих в любой узел цепи, равна сумме токов, выходящих из это го узла. 152 правило называется ВТОРЫМ ПРАВИЛОМ КИРХГОФА. В о т один интересный Подключим £ 0 -в а т т н у ю и 100-в а ттн у ю лампы последовательно. чи // (Р^-ваттная лампа с в е т и т 53РЧІ / Почем у? Номинальная мощность достигается только тогда, когда лампы подклю чены по отдельности, а не последовательно. Чему равно напряжение на каждой лампе? Г Сила тока одинакова, а падение напряжения на лампах можно найти по закону Ома Сопротивление 60-ваттной Сопротивление ЮО-ваттной лампы больше *• лампы меньше*, когда она подключена отдельно, т о к на ней меньше и она светит не т а к ярко. когда она подклю чена отдельно, Но при ПОСЛЕДОВАТЕЛЬ- ч А на т о к на ней больше. 100-ваттн ой НОМ соединении на 60-ваттной лампе с большим сопротивлением НАПРЯЖЕНИЕ ЕОАЬШБ... Получается, реальная мощность Р = ( Л для С О -ваттн ой лампы будет выше, чем для Ю О -ваттн ой / 164 - Несколько тысяч л ет назад древние греки обнаружили, ч т о некоторые минералы из облэши МАГНЕЗИЯ в Малой Азии притягивают желез о, а еще притягиваются или отталкиваю тся друг о т друга. Так появилось название «м агниты ». Дальнейшие исследования показали, ч то у магнитов всегда два ПОЛЮСА - СЕВЕРНЫЙ и ю >:<и ы й . в й ш Ь ш м ш Если дать магниту свободно вращаться, его северный полюс укажет на географический Северный полюс Земли. КОМПАС — это всего лишь магнитная стрелка, закрепленная на стержне. За метим, ч то разные полюса магнитов притягиваются, одинаковые — отталкиваются. 156 Теперь представь, ч т о мы разбро Иголки выстроятся вдоль линий, и мы сали крохотные иголки компасов на увидим МАГНИТНОЕ ПОЛЕ магнита; листе бумаги и поднесли под него прямой магнит; 8 I 1 / - ниитпіінтиітніиіині і / / ? Соединим стрелки, как в примере Считается, ч т о силовые линии с 9лектрическим полем, и получим выходят из СЕВЕРНОГО магнитного С И Л О В Ы Е АМНММ магнитного поля. полюса и входят в Ю Ж Н Ы Й магнитный полюс. Вы ходит, южный магнитный полюс Земли — это географический Северный полюс/ _£ . Если сломать м агнит пополам, Кроме то го , т о образуется два новых полюса/ силовые линии О тд е л и ть полюс о т противополож не обрываются, ного нельзя. а проходят сквозь магнит о т южного полюса к северному, образуя замкнутые кривые. 157 До 1820 год а все верили, ч то электричество и магнетизм никак не связаны между собой Ч т о ? У электричества и магнетизма есть ч т о - т о общее? Ха-ха-ха/ Но в 1 6 2 О году датский физик Ханс ж щ (1777-1851) обнаружил, ч то под действием электрического тока стрелка компаса отклоняется. Ток 158 ВОПРОС: Если заряд неподвижен, т о О СИЛА НЕ ВОЗНИКАЕТ. в £ила не возникает и то гд а , когда ... а в о т когда заряд Ш Е І р І О І С З Ш Т заряд движется силовые линии, он ч т о - т о чувствует/ силовой линии... 'Ч | / - \ Л /^Снова^Л ї 1/ г\ ||> На заряд д е й ствуе т «боковая» сила — она перпендикулярна и силовой линии, и скорости заряда. 159 / Величина силы пропорциональна напряженности поля и скорости движения частицы Скорость в нем. Именно ? т а «боковая», «трехмерная» сила больше всего усложняет электричество и магнетизм. В о т несколько примеров. , Поле Внимание*, силовая линия и направление скоуости определяют плоскость. £ила перпендикулярна этой плоскости. 160 В о т магнитное поле, в котором заряженные частицы бесконечно кружатся между двумя противоположными полюсами; - * © Магнитное поле между гранями магнита всегда перпендикулярно скорости частицы, поэтому сила, перпен дикулярная им обоим, указывает в центр круга/ Это центростремительная сила, которая поддержи вает фуговое движение частии^>\! Вид сверху напоминает уже знакомый т е б е рисунок*. Именно благодаря этой силе р а б о та ю т большие ускорители частиц и накопительные кольца. 161 Магниты действуют на движущиеся частицы с силой, а при движении заряда тоже создается магнитное поле — это показал 9рстед. Именно поэтому в эксперименте эрстеда стрелка компаса отклонялась. Рассмотрим простейший случай. Проденем токонесущий провод через плоскость, усыпанную магнитными стрелками. ' \ \ \ л \ Ток Стрелки выстроятся вокруг провода кругами. Магнитное поле тока образовано кругами, ми )!=.Яг и/ Г ц ц и м і» . ш л Іір ш і З Д 1 .1 и Г I I К , центры которых лежат Р ІІ I на проводе. 9 т и круги расположены перпендику лярно направлению тока. 162 Чтобы определить направление линий магнитного поля, укажи большим пальцем правой руки в направлении потока положительных зарядов. Остальные пальцы укажут направление линий магнитного поля. Это правило называется ПРАВИЛОМ ПРАВОЙ РуКИ. Если направление токов совпадает, параллельные проводники притягиваются. Магнитное поле, окружающее проводник, де йствуе т на другой проводник с силой и притягивает его. Проверь, в каком направлении д е й ствуе т поле, по правилу Ч правой руки! Ампер, открывший взаимодействие между параллельными проводниками. 1775 163 1856 — Если свернуть проводник с то ко м в кольцо, получится в о т такое \ магнитное поле: Обрати внимание, ч т о одна сторона похожа на НЕВЕРНЫЙ полюс (силовые линии выходят из нее}, другая сторона — на ЮЖНЫЙ полюс (силовые линии входят в нее}. ) Если свернуть проводник в несколько витков, магнитное поле усилится. Если нам отать провод Если вставить в соленоид стальную пластину, магнитное поле усилится, и получится И Ш 1 --------------------------------------------- Во всех этих электрических и магнитных полях легко запутаться. Представь, ч то твоя комната заполнена такими полями. Как их обнаружить? Как узнать, где какое поле? ч _________________________ ___ Твоя комната НА САМОМ ДЕЛЕ заполнена полями. 9то и магнитное поле Земли, и электрическое и магнитное поля о т радиоволн. Электрические поля о т радиоволн можно уловить антенной, т а к как они перемещают Заряды в ней. Магнитное поле Земли можно обнаружить при помощи компаса или по действию «боковых» сил на движущиеся заряды. 165 Все известные магнитные поля — результат движения электрических зарядов. А какие заряды создаю т магнитное поле металлического м агнита? £ами электроны в атомах железа/ Магнит в миниатюре Север У Электрон, вращающийся вокруг ядра, подобен малому круговому току, поэтому создает ОРБИТАЛЬНОЕ МАГНИТНОЕ ПОДЕ. А еще электрон вращается вокруг своей оси и создает СПИНОВОЕ МАГНИТНОЕ ПОЛБ. Силовые линии орбитального поля 166 Магнитные поля большинства электронов в атомах компенсируются магнитными полями других электронов... но в МАҐИМТНЬІХ материалах (к ним относятея>КЕАБЗО, НМКБЛЬ и КОБАЛЬТ} есть одинокие электроны — они-то и создаю т магнитные поля атомов... ... более того, в этих «ферромагнитных» элементах сами атом ы выстраиваются так, ч то линии их магнитных полей указывают в одну сторону. Получается одно большое магнитное поле/ © ■ 5 * ' ’ О Т г 'у - * £ К 167 Все атомы в микроскопических областях, называемых ДОМЕ НАМИ, действительно упорядочены, но в ненамагниченном железе домены ориентированы в разные стороны. Когда желез о помещают в магнитное поле, домены ориентируются вдоль силовых линий, и желез о намагничивается. Намагниченное Ненамагниченное 160 Некоторые сплавы металлов сопротивляются намагничиванию. Их домены упорядочиваются только под действием сильного внешнего магнитного поля, з а т о потом долго сохраняют ориентацию. К таким сплавам относится сплав алюминия, никеля, кобальта, железа и меди под названием *Л^- Мистое желез о, наоборот, легко намагничивается, но и легко размагничивается, когда внешнее магнитное поле исчезает. Ферромагнетизм проявляется только при тем пературе ниже пороговой — для железа ? т о П О °С. При нагреве магнитное поле исчезает. Предполагают, ч т о магнетизм Земли вызван циркуляцией электрических полей в земном ядре, но точное объяснение до сих пор не найдено. Мы до сих пор не можем объяснить первые известные проявления магнетизма — удивительно, не правда ли? 1С9 После о т б ы т и я 9рстеда ученые двенадцать л ет пытались обнаружить обратное явление и получить электрический т о к из магнитного поля. Наконец 170 В о т Ринго просовывает магнит Если м агнит неподвижен, т о прибор через петлю из провода, не фиксирует то к . подключенную к гальванометру — чувствительному прибору для измерения токов, бтрелка гальванометра отклоняется/ Еще один способ получить т о к — Но если т о к во второй пе тле поместить рядом с первой петлей не меняется, т о в первой петле еще одну и за п и та ть ее о т батареи, то к а не б уд е т. б т о и т только включить или выключить В п е тл е 2 т о к есть, в п е тл е 1 — н е т . т о к во второй петле, и в первой п е тл е возникнет ток/ Энергия незам етно для нас пре Фарадей описал э т о одолевает пространство — разве явление так-, когда э т о не чудо? силовые линии м аг нитного поля пересе к а ю т проводник, в нем возникает § Ш М ® ° Не важно, ч то именно движется — само магнитное поле или проводник ШМ/ЧлУ относительно магнита. Равносильно Когда магнит проходит через Когда мы включаем т о к в первой петлю, его силовые линии пересекают проводник петле, во втоуой петле нарастает магнитное поле, его силовые линии и возникает 9Д£, которая рассекают первую петлю порождает ток. и возникает 9Д£. Батарея То же самое происходит, Выключатель когда петля движется рядом с магнитом. При выключении тока силовые И над зтилл они дуллали 12 лет?! 17г линии постепенно исчезают \ ц ^нова пересекают петлю. К откры тию Фарадея поначалу отнеслись равнодушно, но сегодня вся электроэнергия генерируется перемещением огромных катуш ек вблизи магнитов ! Удивительно, ч т о по таком у же принципу устроены и огромные гидроэлектростанции, турбины которых д аю т достаточно электроэнергии для целых горо дов на расстоянии в сотни километров/ 173 Рассмотрим эксперимент Фарадея подробнее. Откуда берется §)[1Я[1 ( р Р ( л Ш » необходимая для движения стрелки гальванометра, когда мы двигаем магнит возле петли из провода и получаем т о к ? Когда индукционный т о к движется г; ^ по проводу, возникает магнитное поле. Є Это магнитное поле должно сопротивляться движению магнита, поэтому Когда Ринго вводит северныйпри его движении совершается работа. полюс магнита в петлю, т о к должен течь так, чтобы северный полюс магнитного поля отталкивал магнит. _______ __ _____ _____ V Это правило называется индукционный т о к направлен так, чтобы компенсировать изменение, которым он вызван. -\ Правило Ленца — следствие закона сохранения энергии. Оно у\уш&»%&тс9і в МАГИМТОРБЛЬ£ОВЫХ ТОРМОЗАХ трамваев-, возле рельса помещается электромагнит, т о к в электромагните порождает противоположный т о к в рельсе, и трамвай торм озит. V I _______________ 174 175 Рассмотрим эксперимент Все понятно: провод содержит Фарадея еще раз. Я держу петлю, Заряды, при движении зарядов на них Ринго держит м агнит. Когда я иду д е й с тв у е т боковая магнитная сила, вперед, стрелка гальванометра которая т о л к а е т их вдоль петли. отклоняется. Линии магнитного поля Движение Мы знаем, Ч т о произойдет, если Ринго ч т о возникнет движется, а я с т о ю ? то к , но почему? Заряды изначально не двигаются, как же магнит возд ей ствует на них? ^ Заряды могут перемещаться только под действием магнитного и электрического поля. Значит, гд е-то т у т есть ч электрическое поле? Именно т а к Эйнштейн пришел К своей теории. Он заметил: в зависимости о т то го , к т о из нас движется, т о к V вызывается либо магнитным, либо электрическим полем. Изменение магнитного поля порождает элек трическое поле.' 176 Вернемся к эксперименту Фарадея (да-да, опять/Л но на э т о т раз прове дем его в чтобы нельзя было определить, к т о из нас движется на самом деле. Мы знаем только т о , ч т о движемся друг друга. 4г Я думаю, ч то я с т о ю на месте, а Ринго движется. Я фиксирую магнитное поле, но оно не мож ет Ринго дум ает, ч т о он стоит на м есте, а я двигаюсь. перемещать заряды, значит, должно быть и электрическое поле, вызванное изменением магнитного поля. Он фиксирует только магнитное поле и перемещение зарядов, т о есть порожденный электрический ток. Ринго видит только м агнитное поле і — ---------_ В Л ч Физики обозначают магнитное поле буквой В. Ш л Щ Ш р 4 ) Н Ы £ ПОЛЯ! 177 р * В 9 то м и заключается главная особенность теории относительности: для двух наблюдателей, которые движутся относительно друг друга, как мы с Ринго, основные физические величины Вселенной отличаются/ В о т пример попроще. Мимо Ринго пролетает одиночный заряд: Ринго видит движущийся заряд — ток, порождающий магнитное поле. Стрелка компаса Ринго отклонится / Но, если я двигаюсь вместе с зарядом, для меня он неподвижен. Магнитного поля нет, и стрелка моего компаса не шевелится/ В о т окончательное доказатель ство. Смотри внимательно/ Я проношу мимо Ринго ДВА заряда. Они отталкиваются, но для Ринго э т о два параллельных тока, которые притягиваются под действием магнитного поля / Но для меня заряды неподвижны, Я отпускаю заряды, и они поэтому я вижу, как они разлетаю тся в стороны. отталкиваются. Теперь самое интересное: для Ринго Понятно? Для Ринго, который заряды притягиваются под действием магнитной силы, которая частично движется относительно меня, скорость зарядов будет МЕНЬШЕ/ коллпенсирует электрическую силу отталкивания. Для Ринго заряды будут разлетаться медленнее, чем для меня/ 179 На рисунке изображено устройство, которое помогает измерить скорость зарядов. По нажатию на крючок А снимаются ограничители В, запускается таймер С, и заряды ^ р а з л е т а ю т с я в стороны. Когда они ударяются о чашки Р, таймер Постанавливается. Бели я держу устройство Но мы только ч то показали, ч то неподвижно впереди себя, заряды Ринго фиксирует магнитные силы разлетятся быстро — ^опусгты^, притяжения, которые замедляют движение зарядов. За 0,01 секунды. Для Ринго заряды разлетятся МБДАБИНББ — допустим, За 0 ,0 2 секунды/ А еще он за м е ти т, ч т о за 0 ,0 2 секунды по его часам мои часы о т с ч и т а ю т всего Вывод? 100 0,01 секунды. Ч т о же подумает Ринго? Когда я проле т а ю мимо него, он видит, ч т о мои часы отсчитали 0 ,0 1 секунды, а его часы — в два раза больше. Он м ож ет сделать только один вывод: ш Это лишь один из множества необычных выводов теории относительности. Согласно Эйнштейну, неподвижный наблюдатель, который следит За бь\ст\>о движущимися предметами, з а м е т и т в о т что*. (в направлении движения) •Ш Другими словами, некоторы е важнейшие представления о пр остр анстве и времени не абсолютны, а относительны 161 Мы увидели, ч то замедление времени объясняется простыми, наблюдаемыми явлениями из электричества и магнетизма. Физики конца XIX века знали, ч т о их уравнения электро магнетизма не согласуются с механикой Ньютона. Большинство считало, ч то уравнения нужно как-то изменить... \_________________________________ ...но только Эйнштейн увидел, ч т о нужно переопределить сами понятия пространства и времени... Катушка индуктивности — это ъс&го лишь несколько витков провода. Иногда провод наматываю т на железный сердечник, чтобы усилить магнитное поле. Катушки индуктивности обозначаются так: Катушка индуктивности Катушка индуктивности Ц? с железным сердечником 103 Если т о к меняется, силовые линии Как т ы уже знаешь, если по катушке т е ч е т ток, т о вокруг нее образуется магнитного поля пересекут витки катушки и возникнет магнитное поле. По правилу Ленца, возникающая 9Д £ в катушке м ож ет 9Д £ противодействует вызвавшему ее изменению. Когда т ы включишь т о к в катушке, д ости гать нескольких тысяч вольт. Когда т ы щелкаешь сопротивление, и т о к будет выключателем, ЯД£ м ож ет про бить искру по воздуху и т о к в цепи на какое-то время нарастать медленно. Когда т ы сохранится. 9Д £ самоиндукции окажет выключишь ток, он на какое-то время сохранится под действием 9Д £ самоиндукции. 164 Катушка имеет две обмотки — первич ную, примерно из с т а витков провода среднего размера, и вторичную, из не скольких тысяч витков тонкого провода. Первичная обмотка заряжается через кон такты * 12-вольтовой батареи. Когда * вторичная контакты размыкаются, т о к в первичной обмотке пропадает, м агнит ное поле «сжимается» и порождает т о к во вторичной обмотке. В ней очень много витков, поэтому порожденная возрастает и вызывает кратковременный скачок напряжения до ^ К Сатарее Прерыватель направляет ? т о т т о к на свечи зажигания, где Прерыватель Вторичная оСм отка возникает искра, которая воспламеняет бензин. В о т та к из 12-вольтовой батареи £веча зажигания получается высоковольтная искра. * В современных системах зажигания используется электронный переключатель. 105 /л\Ш * ш д а а к ш й в ш щ ® Пока ч т о мы рассматривали только ПОСТОЯННЫЙ ТОК — поток зарядов, движущихся по проводу в одном направлении. <3 О А в Л Однако мы обычно используем ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК — поток зарядов, который постоянно меняет направление. Переменный т о к в розетке у тебя дома меняет направление 100 раз в секунду/ ^ (5 • 1 Время Т ш ■' Время Т + 1 /1 0 0 секунды 106 !!& ===== Я могу создать переменный ток, вращая 9т у катушку индуктивности в форме взбивалки в постоянном магнитном поле. Она будет пересекать силовые линии магнитного поля, и в ней возникнет ток. Ґ Ток будет переменным, потому ч то петля пересечет силовые линии сначала в одном направлении... Л ґ а через пол-оборота — в другом. Полученный таким образом переменный т о к можно снять «щ еткам и » токосъемных колец. Именно т а к генерируется большая часть электроэнергии. 187 Л Конденсаторы и катушки индуктивности р аб о таю т с постоянным и переменным током по-разному. 9Д£, возникающая в катушке, противодействует изменениям тока в ней. Так как переменный т о к непрерывно меняется, катушка сопротивляется ему. /С- т ош«^ « V Стой , у А постоянный т о к спокойно т е ч е т по катушке. Постоянный т о к не проходит через конденсатор, ведь его пластины не соприкасаются. А в о т переменный т о к ззп^ошо «проскакивает» через конденсатор/ Заряд перемещается по цепи из стороны в сторону, и пластина конденса тора сначала заряжается, з а те м разряжается, а потом приобретает про тивоположный заряд. Кажется, ч т о т о к «перескакивает» через конденсатор. - і. 2. 100 3. Сопротивление катушки переменному т о к у похоже на инерцию, а сама катушка — на массивный груз. Если катушка индуктивности — это груз, т о конденсатор — это пружина. Если подать заряд на уже заряженную пластину, она о т т о л к н е т его, точно как пружина. + П + Конденсатор ++11 сопротивляется дополнительному заряду. Пружина сопротивляется дополнительному усилию. Катушка и конденсатор в цепи переменного тока — точно как груз на пружине/ © 189 & Такие цепи, как и груз на пружине, стрем ятся к определенной (резонансной} ч а с т о т е колебаний. Время Низкая ч а с т о т а Пружина Ы2 1 Время Пружина Ы2 2 Высокая ч а с т о т а Такую цепь (вместе с источником 5>нергии} можно использовать для получения определенной ч а сто ты или для настройки на нее, как в радиоприемнике. 190 Но почему в розетке ПЕРЕМЕННЫЙ ток? Помнишь две катушки индуктивности из опы та Фарадея Сили из с т а р те р а машины}? Ток возникает в катуш ке Ые 2 только при включении или выключении то к а в катуш ке К!2 1. Индуцированный т о к возникает только под действием меняющегося тока. 1 0 ОЕрЕМЕННЫЙТОК БСЕЦА м ш ж й Лучше всего т о , ч т о индуцированное напряжение пропорционально С О О Ш Ж Ш Ю ШТКОВ: чем больше витков в катушке Ы2 2 по сравнению с катушкой № 1, т е м выше индуцированное напряжение в катушке М2 2 / 191 Нетрудно видеть, почему это так: чем больше витков вторичной о б м о т ки пересекают силовые линии меняю щегося магнитного поля, т е м больше 9Л,С индукции. Если Увеличение напряжения * число витков первичной обмотки » число витков вторичной обмотки, — то Уменьшение напряжения Это устройство для преобразования напряжения называется Оно обозначается Напряжение берется из ниоткуда? II и р а б о та е т только для переменного тока. Трансформатор и правда «трансформирует» напряжение, но ничего не дается даром*• выходная МОЩНОСТЬ на вторичной обмотке не м ож ет превышать входную мощность на первичной обмотке. Другими словами, Разумеется, Д энергия ] сохраняется// с повышением напряжения уменьшится сила тока. ГГ— 192 У В э т о м заключается огромное преимущество переменного тока; его напряжение легко меняется. Это особенно важно при передаче тока о т электростанций в д о м а : Провода линии электропередачи имею т сопротивление Р. Значит, падение напряжения в линии равно 0 - 27?, потеря мощности Р = XV ~ Х 2Р. Для больших токов потери мощности огромны. Напряжение на электростанции повышается до 100000 вольт Здесь нам помогупг трансформаторы ! и более, сила тока в проводах уменьшается, и потери мощности снижаются. Перед подачей в дома напряжение снижают до сравнительно безопасных 220 вольт. Здесь напряжение повышается Здесь напряжение понижается Малый ток, высокое напряжение 193 Скромный трансформатор — основа всей нашей системы электроснабжения. Возможно, когда появятся высокотемпературные с м ю ш р ю и более совершенные преобразователи постоянного тока, мы сможем построить линии передачи постоянного тока. (и к о е -ч то еще} ^ Л <£=» & $ с- К с = 1 > > , 4 \ 4 % *=^>. ‘=< Ч » Ч \ ^ г 1 ^ ^ ^ * ^ * %Х I ъ Г 4 * Говоря техническим языком, электрическое и магнитное поля — э т о В Е К Т О Р Н Ы Е ПОЛЯ, которы е в каждой то чке и м ею т величину и направление. Ч тобы описать векторное поле, нужно указать, как оно расходится, т о е сть его ДИВЕРГЕНЦИЮ, и его завихрение, т о е сть Р О Т О Р бротор и дивергенция — м атем атические понятия}. В 1073 г. Джеймс Клерк описал дивергенцию и р о то р 9лектрического и магнитного поля в четырех уравнениях. 195 Первое уравнение Максвелла — Втор ое уравнение — э т о закон э т о закон Гаусса-. силовые линии Фарадея; силовые линии электрического поля РАСХОДЯТСЯ электрического поля ЗАВИХРЯЮТСЯ о т положительных зарядов вокруг изменяющихся магнитных полей. и СХОДЯТСЯ к отрицательным. Изменение магнитного поля порождает электрическое поле. Ч V 1 ф а ® в=ф Магнитное поле Движение Электрическое поле Третье уравнение указывает-, Последнее уравнение указывает, силовые линии магнитного поля — ч т о силовые линии магнитного э т о замкнутые кривые, которые поля ЗАВМХРЯ6 ОТСЯ вокруг не сходятся и не расходятся. проводника с током . Мы уже видели, ч т о магнитное поле образует круги вокруг проводника. ш ю е И здесь Максвелла озарило. Его словно пронзило молнией/ ВО 196 - Как видишь, уравнения Максвелла Рассмотрим конденсатор выражали уже известные ему законы. в процессе зарядки. На его Но гениальный Максвелл понял, ч т о пластины п о с т у п а е т т о к , вокруг закон Ы2 4 — неполный. провода возникает магнитное поле. А ч т о будет между пластинами? Здесь н е т магнитного поля? Разве поле резко обрывается между пластинами, где т о к останавливается? Максвелл сказал; Максвелл предположил, ч т о Максвелл дополнил ч е тв е р то е природа не т е р п и т разрывов. уравнение и указал, ч т о магнитные Он выдвинул гипотезу*, изменение поля т о ж е ЗАВИХРЯЮТ£Я вокруг магнитного поля порождает электри меняющихся электрических полей. ческое поле біо Фарадею), значит, Значит, когда электрическое поле изменение электрического поля нар астает, между пластинами конден должно порождать магнитное поле. сатора возникает магнитное поле. Д оказательств этоы<у не было, но... - е е Ц О Э Н Э - 9 т о магнитное поле было обнаружено несколько л е т спустя. 197 Не будем церемониться и представим полностью, со всеми великими и ужасными математическими обозначениями! Т 7 К © о [Г * ($ Ж 'п г Т ^ ) =» “Т И ^ Р ’ ч ш а е т ся «Р°»> плотность заряда, І Г — электрическое поле) означает; ІГ расходится о т положительных зарядов и сходится к отрицательным. У х £ -.- 1 Л і. ^ — магнитное О поле) означает, ч т о ІГ завихряется вокруг меняющихся полей В (с — скорость света). у - В указывает, ч т о В никогда не расходится и всегда образует петли. означает, ч т о ^завихряется вокруг проводников ( X — плотность то к а ) и меняющихся полей 5". 190 Это небольшое дополнение к четвертом у уравнению Максвелла принесло важный и неожиданный результат. г~ Представь КОЛЕБАНИЯ одиночного электрического заряда*. г Л При колебаниях заряда его электрическое поле меняется и порождает магнитное поле, которое завихряется вокруг него. Но магнитное поле то ж е м еняет ся, поэтому оно порождает новое электрическое поле, которое по рождает новое магнитное поле... П Щ А ______________________________________ В результате образуется 1 'Ю полей, расходящихся в стороны о т заряда. По расчетам Максвелла, э т а волна распространяется со скоростью с в е т а ! У Максвелла осенило: он предположил, ч т о сам СВЄТэ т о ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ВОЛНА. Вскоре Герц и другие ученые смогли получить длинные электромагнитные волны о т колеблющихся зарядов и уловить их вдали о т источника / З а т е м был о ткр ы т целый спектр таких волн: радиоволны, микроволны, видимый свет, ультрафиолетовые и инфракрасные лучи, рентгеновские и гамма-лучи. Всего четырьмя уравнениями Максвелл описал электричество, магнетизм, свет и оптику / Неплохо/ 200 Сейчас мы разберемся, ч т о такое заряд на самом деле. 201 Мы увидели, ч т о электро магнетизм содержит в себе теорию относительности. Если добавить к нему кван товую механику, получится км тоад Ш Щ - щ м т О В Д . СВЕТ с о с т о и т из частиц, не имеющих массы, — ФОТОНОВ. 9 т о возможно потому, ч то частицы м о г у т вести себя как волны. Природе присуща НЕОПРЕДЕЛЕННОСТЬ. Сначала стоит сказать несколько слов о квантовой Так, нельзя с точностью механике — необычной дисциплине, определить импульс частицы и ее положение которая используется для описания мира в современной одновременно. физике. К самым оригинальным ее идеям относятся: 202 Вернемся к примеру с двумя положительными зарядами, которые отталкиваю тся друг о т друга. Мы не могли понять, как электрическая сила распространяется в пространстве. В квантовой электродинамике считается, ч то э т а сила возникает благодаря частицам, которые движутся между зарядами. 9то чашині света, или ФОТОНЫ. 9ти фотоны обладают энергией, но не им ею т массы, и движутся со скоростью света. Удивительно, ч т о э т о не «настоящие» фотоны, которые т ы можешь увидеть своими глазами, а ВИРТУАЛЬНЫЕ фотоны — частицы-призраки, которые нарушают закон сохранения энергии и сущ ествую т ограниченное врелля. 9 т а сила им еет квантовую природу, но ей можно найти аналог в классической механике. Когда заряд испускает фотон, т о слегка отскакивает назад. Когда другой заряд улавливает э т о т фотон, он тож е отскакивает. В результате обмена множеством фотонов возникает сила отталкивания/ А ч т о же эти «виртуальные» ф отоны? Облако виртуальных фотонов пр исутствует даже вокруг одиночного заряда — он постоянно создает, испускает и втягивает виртуальные фотоны. л С ^ * «• ;С о V* .с с * ' • С сг\ І г ' 4 ^ с с . о \0 ’^ О * , ^ ^ О .О О -р 9 т о (почти) полное описание с позиций квантовой электродинамики. & ^ # * А электрическое поле — э т о облако виртуальных фотонов/ а-*-**-*--*** ^ Необычнее всего т о , ч то эти виртуальные фотоны берутся «из ниоткуда». После появления виртуального фотона возрастает совокупная энергия — сумма энергии исходной частицы и энергии фотона. 204 Одна из формулировок нельзя с точностью определить энергию и время одновременно. « о ~ 4 с( ч^ ' ‘^ 4 1 Это значит, ч т о энергетический «баланс» ненадолго м ож ет нарушаться, большой дефицит энергии компенсируется очень быстро, а малый дефицит м ож ет некоторое время сохраняться. На языке математики э т о звучит т а к -. ДЕ • Д т > Н— произведение дефицита баланса на время его нарушения не мож ет быть меньше определенного малого числа Н. г 05 На коротком промежутке времени 9нергия «нечеткая». Другими словами, виртуальный фотон с высокой энергией не м ож ет уйти далеко даже со скоростью света — его должен поглотить другой заряд, чтобы восстановить энергетический баланс. Ф о т о н с низкой энергией м ож ет ул е те ть дальше. її® ” Небольшие нарушения баланса м о гут сохраняться дольше. Теперь понятно, почему электрическая сила О С М Е Ш НА РЖШШНИ Г •и — Ф о то н ы с высокой энергией не м о гут перенести энергию далеко - если мы проведем необходимые расчеты, т о получим уже известный нам закон обратных квадратов из классической физики. Но энергия виртуального фотона м ож ет быть сколь угодно малой. Ф о т о н с очень низкой энергией м ож ет существовать годы и пролететь несколько световых лет. Зона действия электрической силы безгранична/ г 207 З Виртуальные фотоны можно Допустим , ч т о мы ударили заряд сделать реальными / В о т заряд частицей и его отбросило в облаке виртуальных фотонов; в сторону о т фотонов. Виртуальные фотоны осиротели. Они становятся реальными Исходный заряд не м ож ет и у л е т а ю т вдаль за сч е т энергии, погл оти ть их/ полученной при столкновении. О о 0 ®о 2°рэа о 0, © и м !'.' О о0 оО , - ч . Бели ллы потрясем Так получаются рентгеновские или вместим заряд, из него 1?! лучи; мы направляем электроны на тяжелый металл, они вылетят настоящие останавливаются, а их виртуальные фотоны л е т я т дальше в виде фотоны/ реальных рентгеновских лучей. 109 А рентгеновские лучи реальны/ Ф отон ы — это не обязательно рентгеновские лучи. На пример, радиопередатчик жонглирует электронами и стряхивает с них фотоны, а радиоприемник их ловит. Еще один пример — лампочка*, электроны в нити накаливания лампы испускают фотоны света. По классической теории, при ускорении заряда излучается электромагнитная волна — э т о виртуальные фотоны становятся реальными. Именно т а к фотоны «вытряхиваются» из облаков виртуальных фотонов в большинстве источников излучения вокруг нас: светлячок огонь микроволновка Бели бы квантовая теория описывала только т о , ч т о мы уже знаем, она была бы не слишком интересной. Но она предсказывает и новые явления. Например, она отсывает небольшие отклонения о т классической теории-, нарушения закона обратных квадратов на очень маленьких расстояниях, изменение магнитного поля электронов и т а к далее. 9ти отклонения были подтверждены тонкими экспериментами, и теперь мы можем уверенно заявить: наша теория электромагнетизма верна. 210 Л — -----------------———— - — —_ Теория «обменных частиц» — переносчиков сил, подобных фотонам, д остаточно популярна. Девиз физиков таков: £МЛЫН10(£ взаимодействие, удерживающее протоны в ядрах атомов, теперь описывается при помощи обмена частиц — МБ30Н05. СЛАБОЕ взаимодействие удалось объединить с злектромагнитным благодаря новым частицам — «братьям» фотонов, которые были сначала описаны теоретически, а уже п отом обнаружены. частицами Считается, ч то взаимодействие между кварками, из которых со с то я т нейтроны и протоны, объясняется обменом частиц под названием ГЛЮОНЫ. А тя го те н и е ? * Клей (англ.). 211 Ах, тяготение... Оно должно объясняться обменом ГРАІМТОНОІ, но их вряд ли удастся обнаружить а ближайшее время, ведь сила тяготения слишком мала. Она ощущается только тогда, когда ее источник — целая планета или Луна. Тем не менее мы уверены; гравитоны сущ ествую т. А £ Гравитон (увеличенный} 212 Физики по-прежнему верят, ч то все омы в природе — результат обмена частицами. Найдя связи между 9тими частицами, мы сможем понять природу всех сил и определить несколько правил, описывающих основы всего мироздания. 21 г « и в А Г Акселерометр 16, 17, 65 Ампер 136, 137, 142, 146 Ампер, Андре Мари 163 Аристотель 24, 25 Галилей, Галилео 20, 25 Галилея эксперименты 21 Гамма-лучи 120, 200 Гаусса закон 196 Герц, Густав Людвиг 200 Глюоны 211 Гравитоны 212 В Батарея электрическая, изобретение 134 Большой взрыв 88 В Вакуум 21 Ватт 146,147 Вес 36, 38, 58, 60 Вес, отличие от массы 37 Взаимодействие гравитационное 33 сильное 68,211 слабое 68,211 электромагнитное 68 электростатическое 117, 118 Взрывы 74, 76 Волна электромагнитная 199,200,209 Вольт 127,134,135 Вольта, Алессандро 121, 134 Вольтметр 144, 145 Вращение 63, 81, 95, 96, 99,100 Время 19, 21, 72, 182 Вселенная 8, 33, 52, 68, 78,88,98, 106, 119, 178 Всемирного тяготения закон 36, 118, 33 А, Б Движение 9 вращательное 97 круговое 24, 66, 103, 161 параболическое 39 прямолинейное 25 с постоянным ускорением 19 Джоуль 82, 127, 146 Дивергенция 195 Домены 168, 169 Емкость конденсатора 130 ъ Заземление 122 Замедление 15 Заряд электрический 111 отрицательный 132, 196,198 положительный 113, 124, 132, 196,198, 203 м Изоляторы 116 Импульс 71, 85, 93, 94 конечный 75, 92 215 линейный 100 начальный 92 общий 75, 76, 78 силы 72, 73 Импульса сохранение 76, 74 Инерция 28, 37, 65, 66, 188,189 вращения 100, 101, 96-98 Ион 113 Искра высоковольтная 185 Катушка индуктивности 183,187-189, 191 Квантовая теория 210 Квантовая механика 202, 204 Квантовая электродинамика 201-203 Кварки 211 Кеплер, Иоганн 51 Кирхгофа правило первое 150 второе 152 Колебания электрического заряда 199 молекул 139 Кольца накопительные 161 токосъемные 187 Компас 156—158, 162, 165,178 Конденсатор 129—132, 188 Кулон 127 Кулон, Ш арль 117 Кулона закон 117 А Ленца правило 174 Линии силовые 125 Лучи гамма 120 инфракрасные 200 рентгеновские 200 ультрафиолетовые 200 м Магнит 155-157, 161, 162,166, 170-174, 176.196 Магнетизм 111, 128, 158, 160,169,182,200, 202 Максвелла уравнения 198.196 Максвелл, Джеймс Клерк 195,200 Мезоны 211 Микроволны 200 Момент импульса 100 силы 99 Мощность входная 192 выходная 192 Мультиметр 143 н Напряжение 143, 144, 147,149,150,153, 154, 191-193 Напряжения падение 150 Небесные тела 24, 32 Невесомость 43 Нейтрон 113,211 Неопределенности принцип 205 Ньютона закон первый 27, 31, 41, 46 второй 29, 36, 49, 56, 60, 65, 70,105 третий 54, 57, 58, 62, 74,76-78 Ньютон, Исаак 27 Обмен частицами 211, 213 Обмотка первичная 185,192 вторичная 185,192 Обратных квадратов закон 34,51 ,20 6,2 10 Ома закон 137, 142, 145, 151-153 Ом, Георг 137 Орбита 43,44, 46 круговая 48, 55, 66, 81 параболическая 50 эллиптическая 50, 51 Относительности теория 133,178,181,202 Падение 20 Парашют 64, 73 Плечо рычага 99 Плоскость наклонная 20, 97 Поле гравитационное 124 магнитное 157, 160-170, 172, 174, 176-179, 183, 184, 187,192, 195-199, 210 тяготения 21, 83 электрическое 124-128, 132,176-178, 195-199,204 Поля векторные 195 Потенциал 127, 133—135, 137 гравитационный 127 электростатический 127 21Й Правой руки правило 163 Преобразователи постоянного тока 194 Прерыватель 185 Прецессия 102-106 Приливы квадратурные 35 сизигийные 35 Притяжение тел 33, 55, 68,118 Проводники 116, 129, 139,163,164,171, 172,196,198 Протон 113, 211 Р Работа 80 Радиоволны 165, 200 Ротор 67 С Самоиндукция 184 Сверхпроводимость 141 Сверхпроводники 194, 140 Сила 70 гравитационного взаимодействия 33 натяжения 61, 62, 65, 66 результирующая 60 тока 136,137,142, 144,147,149,150, 152,153,192,193 трения 26, 57, 60, 63 тяготения 25, 47, 30, 31, 33, 36, 37, 39, 47, 49, 51,46 центростремительная 66, 67, 161 электродвижущая 171, 172,184,185,188, 192 электростатическая 117 Силы мнимые 65, 67 Скорость мгновенная 11 орбитальная 45 падения 21, 43 постоянная 10, 14, 17, 18, 20, 27, 31, 59, 60,81 света 133, 198,199, 203,206 средняя 11, 19 угловая 100, 101 Соленоид 164 Сопротивление удельное 139,140 Сохранения импульса закон 77, 78 Сохранения энергии закон 85, 86, 174, 203,205 Сплавы 141, 169 Спутники естественные 44 искусственные 55 Столкновения 89-91 абсолютно упругие 90, 91 Тормоза магниторельсовые 174 Трансформатор 192 Трение 20, 26, 57, 58, 96 кинематическое 63 о воду 137 о воздух 64 статическое 63 Тяготение 21, 23, 31, 33-36, 41,43, 76 т Удар 84, 86, 73 упругий 91 неупругий 91, 92, 94, 95 Уравнения дифференциальные 50 Ускорение 13-18, 23, 28-30, 36, 37, 3 9-4 1 ,4 5 ,4 7 , 49, 59, 64, 69, 70, 77, 96,104 постоянное 19, 21 угловое 96, 104 Ускорители частиц 140, 161 Тепло 87 Термодинамика 87 Ток индукционный 174 переменный 186—189, 191,192 постоянный 186, 188, 194 электрический 134, 136, 137, 158, 170, 177 Фарадей, Майкл 170, 171, 173, 174, 176, 177, 191, 197 Фарадея закон 196 Фейнмана диаграмма 211 Ферромагнетизм 169 Фотон 202-204, 209, 211 виртуальный 203, 206-208 Фотосинтез 88 Франклин, Бенджамин 113 4 ,9 Частота колебаний резонансная 190 Эйнштейн, Альберт 47, 176,181,182 Электричество 111, 116, 121,128,130,137, 140, 146, 158, 160, 182,200 Электромагнит 165 Электрон 88, 113-118, 120,122,133,136, 166, 167, 208-210 Электронвольт 133 Электростатического взаимодействия закон 117, 118 Электрофор 121 Энергия 79, 80, 82, 83, 85, 87, 88, 122, 126, 133, 146, 150, 171, 206 кинетическая 83, 91, 94 мышц 88 потенциальная 83, 84, 86, 88, 126, 127 совокупная 204 солнечных лучей 88 химическая 88 Эрстеда эксперимент 162 Эрстед, Ханс 162 АРТ ХАФ Ф М АН ведет курс лабораторных работ по физике в Калифорнийском университете в Аос-Анджелесе (Ш иА). Он также ¥ преподает физику и астрономию, организует выезды на астрономи ческие наблюдения, пилотирует самолеты, увлекается скалолазанием и походами. Он защитил кандидатскую диссер тацию в Вашингтонском универси т е т е и опубликовал ряд с т а т е й по теоретической ядерной физике и астрофизике. Селлья- жена Аинда и двое детей - Таран и Андромеда. ААРРМ ГОНМК - создатель серии нон-фикшн-комиксов, автор рубрики «Классика науки» в журнале РІ ЪСОМШ. В колледже больше всего проблем ему д остав ляла именно физика Сесли не считать его первую девушку), и он искренне благодарен А р ту Хаффману За возможность разобраться в предм ете.Ж ивет в £ан-Франциско с женой и двумя детьми. Научно-популярное издание Ларри Гоник и А р т Хаффман ФИЗИКА ЕСТЕСТВЕННАЯ НАУКА В КОМИКСАХ Редактор И. Галактионова Технический редактор Л. Синицына Корректоры Т. Филиппов а, Н. Соколова Компьютерная верстка И. Лыеова ООО «Издательская Группа « А зб у к а -А тт и к у е » — обладатель товарного знака М ясНаоп 119334, Москва, 5 -0 Донской проезд, д. 15, с тр . 4 Филиал ООО «Издательская Группа « А зб у к а -А тт и к у е » в г. С анкт-П етербурге 191123, Санкт-Петербург, Воскресенская набережная, д. 12, лит. А ЧП « И зд а те л ь ств о «Махаон-Украина» 0 4 0 7 3 , Киев, Московский проспект, д. 6, 2 -0 ? т а ж ЧП « И зд а те л ь ств о «М ахаон» 6 1 0 7 0 , Харьков, ул. Ак. Проскуры, д. 1 Знак: информационной продукции (Федеральный закон Ые 4 3 6 - Ф З о т 2 9 .1 2 .2 0 1 0 г.) Подписано в печать 2 5 .0 4 .2 0 1 6 . Ф о р м а т 7 0 х 9 0 Д. Бумага офсетная. Гарнитура « Є 5 А я ш г Су г» . Печать офсетная. Уел. печ. л. Доп. тираж 3 О О О экз- В-6Ы Р-16915-03-17. Заказ М2 0 0 5 3 / 1 6 О т п е ч а т а н о в с о о т в е т с т в и и с предоставленными материалами в ООО «И П К П а р е то -П р и н т» . 170546, Тверская область, Промышленная зона Боровлево-1, комплекс Ыа ЗА \лм\мрягеіо-ргіп-Ь.ги ПО ВОПРОСАМ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ОБРАЩАЙТЕСЬ: В Мос№е: ООО «Издательская Группа « А зб у к а -А тт и к у с » Тел. / 4 9 5 ; 9 3 3 -7 6 -0 1 , факс / 4 9 5 ; 9 3 3 -7 6 -1 9 е-таіі. 5а!е5@аШси5-дгоир.ги; іпроСРагЬоока-тп.ги В Санкт-П етербурге: “Филиал ООО «Издательская Группа « А зб у к а -А т ти к у с » в г. С ан кт-П етерб урге Тел. /012; 3 2 7 - 0 4 - 5 5 е-таіі. Ьгаёе@ахЬооказрЬ.ги\ аШсиг(РагЬоока.5рЬ.ги В Киеве: ЧП « И зд а те л ь ств о «Махаон-Украина» Тел./факс / 0 4 4 1 4 9 0 - 9 9 - 0 1 е-таіі: 5аІе@тасЬаоп.кіеи.иа В Харькове: ЧП « И зд а те л ьств о «М ахаон» Тел. / 0 5 7 ; 3 15-15-64, 3 1 5 -2 5 -0 1 е-таіі. тасНаопОтасНаоп.кНагкоу.иа шшы.атЪоока.ги-, ум\ллаШси5-дгоир.ги ЕСТЕСТВЕННАЯ НАУКА і КОМИКСАХ ЕЩЕ НИКОГДА © СЛОЖ НОМ МЕ ГОВОРИЛОСЬ ТАК КРАТКО, Д0Й0ДЧ1И1© И НЕПРИНУЖДЕННО Интенсивный курс алгебры, написанный в безупречно ясном, структурированном виде, охватывающий ряд основных т е м школьной програллмы, включая линейные уравнения, многочлены, квадратные уравнения, построение кривых. С живым юмором автор делает ?кскурс в историю алгебры и приводит многочисленные примеры практического применения «царицы наук» в современной жизни. ЛАРРИ ГОНИК http://inostrankabooks.ru/ru/book/23417/ МЛМ.А2ВООКА.17Ы Проще п р о с то го . ЕСТЕСТВЕННАЯ Н А У К А 1 КОМИКСАХ ЕЩЕ НИКОГДА © СЛОЖНОМ НЕ Г© І© РИ А© СЕ ТАК КРАТКО, ДОХОДЧИВО N НЕПРИНУЖДЕННО 9 т а замечательная книга с остроумными иллюстрациями д а е т представление об истории химии, знакомит с атомной теорией вещества, затрагивает важнейшие тем ы из областей физической и органической химии, биохимии, химии окружающей среды, электрохимии и других. е стествен н ая н а у к а в к о м и к с а х знаний много НЕ БЫВАЕТ1 http://inostrankabooks.ru/ru/book/23421/

Fizika v komixakh

Products

Support

Fizika v komixakh

Add this document to collection(s)

Add this document to saved

Suggest us how to improve StudyLib