А.В. Зотеев, А.А. Склянкин - Лекции по курсу общей физики (1106108), страница 13

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 13)

Легко догадаться,этисилыпрепятствуютгироскопическиегироскопавсилыповоротуосиответственныпространстве.Любаязагироскопа.Именноустойчивостьпопыткаповернутьосиосьгироскопа вызывает противодействие тем большее, чем большесобственный момент импульса гироскопа.С помощью представления о гироскопических силах можно,например, легко объяснить действие гирокомпаса. Ось гироскопа,находящегося на поверхности Земли поворачивается вместе свращающейся Землёй. Гироскопические силы исчезнут, если осьгироскопа окажется параллельной оси вращения Земли.- 88 -§ 6.

ГироскопМы рассмотрели лишь элементы теории уравновешенногогироскопа. Полная теория гироскопа гораздо сложнее. Однако всёизложенное выше позволяет понять наиболее важные свойствагироскопа. ЗамечаниеГироскопические эффекты проявляют себя не только вмакроскопическихмеханическихустройствах.Спомощьюпредставлений о них можно объяснить и некоторые тонкие и оченьважные явления микромира, казалось бы, чрезвычайно далёкие отсферы действия классической механики.

Так, например, прецессиейэлектронных орбит атомов во внешнем магнитном поле можнообъяснитьдиамагнетизмвеществ.Методыэлектронногопарамагнитного резонанса (ЭПР), а также ядерного магнитногорезонанса (ЯМР), широко используемые в химии при изучениистроения вещества, основаны на гироскопической прецессииэлектронных и ядерных спинов.

Хотя описание этих явлений на языкеквантовой физики и является более адекватным, подход, основанный напредставлениях классической физики, оказался весьма плодотворным вистории науки.В заключение к разделу «Механика» приведём высказываниесоздателя одного из новейших учений о механическом движении:«Пусть никто не думает, что великоесоздание Ньютона может быть ниспровергнутотеорией относительности или какой-нибудьдругой теорией.Ясные и широкие идеи Ньютона навечносохранят своё значение фундамента, на которомпостроенынашисовременныефизическиепредставления»А.

Эйнштейн (1948 г.)- 89 -Электричество и магнетизмЧасть 2. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО и МАГНЕТИЗМЭлектродинамика – раздел физики, изучающий взаимодействияэлектрически заряженных тел, свойства электрических и магнитных полейВ разделе «Механика» обсуждался пока закон лишь одного изфундаментальных взаимодействий – закон всемирного тяготения.Ему подчиняются силы тяготения. Все остальные встречавшиесянам при анализе механического движения силы являютсяпроявлениямидругого«электромагнитного»,фундаментальногокизучениювзаимодействиякоторогомысейчас–ипереходим. Да и видеть сейчас эти строки мы можем благодаряэлектромагнетизму: свет – это электромагнитные волны!Начнёммыэлектрическихснаиболеесвойствпростогоматерии–случаяслучаяпроявленияэлектростатики(покоящиеся электрические заряженные тела).

Многое при этомнам уже знакомо из школьного курса физики. И только затемперейдёмкэлектродинамике(«зарядывдвижении»),отталкиваясь также от ранее накопленного багажа. Дополнимнаши знания о магнитном поле важным законом Био-СавараЛапласа. Расширим возможности анализа электрических имагнитных взаимодействий, сформулировав и доказав рядмощныхтеоремпознакомимсясэлектро-имагнитостатики.представлениямиИ,классическойнаконец,теорииэлектромагнитного поля Д.К. Максвелла*).*)ыд ющи ядфизи у и тодинфотог фии.(1831–1879) – б ит н и физи ,тти их ни . Внёич ую э т один и у, ин тич ую т о ию г зо , о у я нуюи у. З о и о но ы о ич т нно т о ии ц то , то п инцип ц тно- 90 -§ 7.

Закон Кулона§ 7. Закон Кулона. Электрическое поле“… Силы трения, сила ветра, химические связи, вязкость,магнетизм, силы, заставляющие вертеться колёса фабрик и заводов,– все эти явления – не что иное, как закон Кулона …” –Дж.Р. Захариас (в журнале “Science”, 1957 г.)7.1. Электрический зарядВ электромагнитных взаимодействиях проявляет себя особоесвойство некоторых элементарных частиц – электрический заряд.Мы уже знаем из школьного курса, что именно его величинавходит в закон Кулона. Что же такое электрический заряд?Увы, настоящего ответа, вероятно, не сможет дать никто. Этопонятие относится к «начальным», не сводимым к чему-то болееэлементарному.

Придётся, как это обычно и делается,ограничиться констатацией, что это мера способности частиц ител к электрическим и магнитным взаимодействиям. Заметимпри этом, что Кулон называл заряд «электрической массой» тел.Перечислим, кроме того, основные свойства электрическогозаряда.1. Существует два сорта электрических зарядов –«положительный» и «отрицательный». Между ними нет никакогофундаментального различия – в мире ничего не изменилось быпри замене «+» на «-».2. Электрический заряд – неотъемлемое свойство некоторыхэлементарных частиц! Минимальная порция электрическогозаряда (e 1,610-19 Кл) одинакова для положительного иотрицательного электричества – относительная точность этогоравенства по крайней мере не хуже 10-20 ! Зарядмакроскопических тел q величина аддитивная и изменяетсядискретно, т.е.

всегда q = Ne.3. Электрический заряд подчиняется ещё одномуфундаментальному закону сохранения – закону сохраненияэлектрического заряда:- 91 -Электричество и магнетизм В электрически изолированной системе алгебраическаясумма электрических зарядов не изменяется с течениемвремени (qi = const).Электрически изолированной называется система, которую непокидают и в которую не проникают извне заряженные тела ичастицы.4. Электрический заряд инвариантен по отношению к выборусистемы отсчёта (то есть не зависит от неё). Кроме того, он независит и от состояния движения заряженной частицы.Дав,такимэлектрическомобразом,заряде,некотороеначнёмпредставлениерассмотрениеобпростейшихпроявлений электричества, когда заряженные тела покоятся (внекоторой системе отсчёта !).

Это случай ЭЛЕКТРОСТАТИКИ.з яВ э т о т тинных т и ч тиц.т ит я з и одт и н под и ных ( т тичих)7.2. Закон Кулона – основной закон электростатикиНа основании серии проведённых прецизионных (оченьскрупулёзных и точных) экспериментов с крутильными весамифранцузский физик Шарль Кулон в 1785 г. сформулировалосновной закон электростатики: Сила электрического взаимодействия двух покоящихся точечныхзарядов в вакууме прямо пропорциональна произведениюмодулей этих зарядов и обратно пропорциональна квадратурасстояния между ними. Это сила притяжения, если зарядыразноимённые, и отталкивания, если они одноимённые.

Силанаправлена вдоль прямой, проходящей через точечные зарядыЭтой довольно громоздкой словесной формулировке можносопоставить компактную аналитическую запись, сделав рисунок(см. рис. 7.1) и введя удобные обозначения*):*)н огично ы по туп и, и огд фоу и ои з он- 92 -и ного тягот ния.§ 7. Закон КулонаF12 1rq12 F21F21 =q2Рис. 7.1Здесьвторой заряд со стороны первого, r1 q1  q 2 r 2 4πε0rrF21 сила,(7.1)действующаяна– радиус-вектор, проведенный отпервого заряда ко второму. По третьему закону Ньютона на первый заряд состороны второго действует равная и противоположно направленная силаF12 =  F21 .

Коэффициент пропорциональности имеет вид, использующийсяобычно при записи закона в системе единиц СИ, где ε0 = 8,85∙10-12 Ф/м –электрическая постоянная системы СИ. Сделаем ряд замечаний к этому важнейшему закону1. Вполне ли точна зависимостьпоказательстепениравен2-м?1r2На? Т.е., а точно лисегодняшнийденьэкспериментально проверено, что точность, по крайней мере, нехуже, чем до 9-го знака после запятой.2. В однородной и изотропной диэлектрической среде силаэлектрического взаимодействия уменьшается в  раз.

 – т.н.диэлектрическая проницаемость среды. Более подробно этотвопрос мы обсудим позже.3. Сила, описываемая законом (7.1), действует и междудвижущимися заряженными частицами и телами. Однако в этомслучае это уже не вся электрическая (электромагнитная) сила.Появляется поправка – магнитная составляющая, связанная как разс состоянием движения тел! Её мы также обсудим в своё время.7.3. Принцип суперпозиции. Электрическое поле.Напряжённость электрического поляКак и в случае закона всемирного тяготения, необходимообратитьособоевнимание,чтоформулировказаконаэлектростатического взаимодействия даётся для «точечных» тел.- 93 -Электричество и магнетизмА как же быть, если хотя бы одно из заряженных тел не являетсятаковым? Или на точечный заряд действуют одновременнонесколько других точечных? Опыт показывает, что для силэлектростатическоговзаимодействиясуперпозиции.сутьЕгосостоитсправедливвследующем.принципКаждоеэлектрическое воздействие на точечный заряд qпр (назовём егопробным) со стороны каждого отдельного из группы зарядов q1,q2, …, qi, …, qn  {qi} описывается силой Fi – векторнойвеличиной, которую можно найти по закону Кулона (см.

рис. 7.2).Электрическое воздействие со стороны всей группы n зарядовFir1  F1F2q1 q r2ri прдаётрезультирующаясила,векторной сумме всех сил Fi :N   F (r ) =  Fi (r )равная(7.2)i=1qiРис. 7.2q2Это важное свойство электростатических сил,состоящее в том, что сила взаимодействиядвух зарядов не меняется при наличии 3-го,4-го и т.д. Отталкиваясь от него, будем опираться (вслед заФарадеем и Максвеллом!) на концепцию электрического поля,как посредника в электрическом взаимодействии тел. Введёмважнейшуюхарактеристикуэтогополя–напряжённостьэлектрического поля.(Опр.) Напряжённостью электрического поля называется отношениесилы, действующей на пробный (точечный) заряд, помещённый вданную точку поля, к величине этого пробного заряда qпр:  F (r )(7.3)E (r ) =qпрЗдесь r – радиус-вектор, характеризующий положение точкиполя в выбранной системе отсчёта.- 94 -§ 7.

Характеристики

Список файлов лекций