Гравитациялық және электростатикалық өрістерді салыстыру

Негізгі сипаттамалары	Өріс түрлері
гравитациялық	электростатикалық
өзара әсерлесу нысаналары	Барлық денелер және бөлшектер	Зарядталған денелер және бөлшектер
Күш формуласы
Кернеулік
Потенциалдар айырмасы
Дене мен зарядтың орын ауыстырудағы жұмысы
Тұйықталған траекториядағы жұмыс

Электрмеханикалық ұқсастық;

Ілгерілмелі қозғалыс	Айнымалы қозғалыс	Электрмагниттік шамалар
Ығысу х	Бұрыштық ығысу α	Заряд q
Жылдамдық; х´	Бұрыштық жылдамдық; α´	Тоқтың өзгеріс жылдамдығы q´
Үдеу x´´	Бұрыштық үдеу α´´	Тоқтың өзгеріс жылдамдығы q´´
Масса m	Инерция моменті j	Индуктивтік L
Созылу кезінде қатаңдық; k	Айналу кезіндегі қатаңдық; k	Электр сыйымдылығының кері шамасы
Күш Ғ	Күш моменті М	Кернеу U
Сұйықтық үйкеліс коэффиценті	Сұйықтық үйкеліс коэффиценті r	Кедергі R
Импульс m·ὺ	Импульс моменті j·ω	Магнит индукция ағыны
Жұмыс dA=F·x´dt	Жұмыс dA=M·α´dt	Жұмыс dA=U·q´dt
Қуат P=F·x´	Қуат P=M·α´	Қуат P=U·q
Кинетикалық энерги я	Кинетикалық энергия	Магнит өрісінің энергиясы
Потенциалдық энергия	Потенциалдық энергия	Электр өрісінің энергиясы
Еркін тербеліс периоды Т=2π	Еркін тербеліс периоды T=2π	Еркін тербеліс периоды T=2π
Толқындық кедергі ρ=	Толқындық кедергі ρ=	Толқындық кедергі ρ=

 

Электр заряды ұғымы. Егерде денеде (немесе бөлшекте) заряд шамасы бар болса, онда олар зарядталған басқа денелермен (немесе бөлшектермен) әсерлесе алады, яғни олар электрмагниттік өріс арқылы әсерлеседі. Егерде заряды және электрмагниттік өріс бір-біріне өзара байланысты ұғымдар. Демек, электр заряды ұғымын тек электрмагниттік өріс ұғымымен бірге қалыптастыруға болады. Егерде электр зарядын және онымен байланысқан өрісті әртүрлі санақ жүйесінде қарастырсақ, онда заряд бірқалыпты қозғалатын инерциялы санақ жүйесін тауып, тек қана электр өрісі немесе тек қана магнит өрісін анықтауға болады. Ал заряд бірқалыпсыз қозғалса, онда ылғи да электрмагниттік өріс болады, яғни бір мезгілде электр және магнит өрістері бар және әсер етеді. Сондықтан да санақ жүйесін таңдауға байланысты электрмагниттік құбылыстарды сипаттаймыз.

Электр заряды өзгермейді, абсолютті бар және санақ жүйесін таңдауға байланысты емес. Қазіргі кезде бұл эксприментте дәлелденген. Атомдар мен молекулалардың электрлік бейтарап екендігі бізге мәлім. Атом қабықшасындағы электронның және ядродағы заряд шамалары бір-біріне тең, таңбалары қарама-қарсы, ал электрондар мен ядроның қозғалыстары мүлдем басқаша. Химиялық реакция кезінде атом қабықшаларындағы электрондардың қозғалысы өзгереді. Егерде заряд бөлшектің қозғалыс жылдамдығына байланысты болса, онда химиялық реакция кезінде артық заряд шамасы пайда болып табылыр еді.

Электр заряды ұғымын талдағанда, электрон туралы қарастырылып, оның теріс зарядты, әрі одан ары бөлінбейтін ең кіші бөлігі ретінде алынады.

Зарядтың бөлінгіштігі мен дискреттілігін көрсеткенде электрон ұғымы енгізіледі. Зарядтың бөлінгіштігін негізгі мектептің 8-сыныбында оқушылар зарядталған денеден зарядталмаған екінші денеге бөлініп зарядталуынан біледі. Бұл тәжірибелер қарапайым әрі оны оқытушылар жақсы түсінеді.

Зарядтың дистреттілігін Иоффе металл тозаңын, ал Милликен май тамшысын алып зарядталған конденсатор астарларындағы электр өрісінде қозғалысын микроскоп арқылы зерттеп, зарязтың бөліну шегі бар екенін, зарядтың дискреттілігін анықтайды. Иоффе тәжірибесінде зарядын секірмелі түрде өзгеретінін, яғни дискреттілігін дәлелдейді. Ал, Милликен тәжірбиесінде элементар зарядтың бар екенін, оның шамасы (е=1,6·10^-19 Кл) электронның зарядын анықтайды. Компьютерде көбінесе Милликен тәжірибиесінің үлгісі жасалады.

Электрмагниттік өріс ұғымы. Орта мектепте макроскопиялық электрдинамиканың элементтері Максвелл электрдинамикасы оқытылады. Максвелл теңдеулері орта мектепте берілмесе де электрдинамикада алатын орны ерекше, механикадағы Ньютон заңдары сияқты. Бұл теңдеу электрмагниттік өрісті сипаттайтын электр өрісінің кернеулігі –Е және магнит индукция векторы В-арнап жазылған. Максвелл теориясында ортаның қасиеті үш шамамен сипатталады: ε-диэлектрлік өтімділік, магнит өрісінің өтімділігі –μ және меншікті электрлік өткішгізтік γ

Жалпы алғанда әр нүктедегі электрмагниттік өріс алты шамамен сипатталады. (Е және В векторларының координат осьтеріне проекциялары): Е_х, Е_у, Е_z, В_х, В_у, В_z, бұлардың араларында өзара байланыс бар. Заттағы электрмагниттік өріс үшін тағы да екі вектор: D- электрлік ығысу (электрлік индунция), Н- магнит өрісінің кернеулігі қолданады.

Жоғарғы сынып оқушыларына Максвеллдің идеясын қазіргі кезге сәйкес түсінуге оңай түрде жеткізу қажет. Электрмагниттік өріс – дегеніміз зарядталған бөлшектердің өзара әсерлесуінен болатын материяның ерекше бір формасы. Оқушыларға негізгі мектеп бөлімінен белгілі, электр және магнит өрістері, осы электрмагниттік өрістің жеке жағдайларындағы білінуі болып табылатынын жеткізу керек.

Электр және магнит өрістерінің бір-бірімен байланысын оқушыларға электрмагниттік индукция құбылысын мысалға алып түсіндіруге болады. Электрмагниттік өрісті электр зарядына әсері арқылы анықтауға болады. Қозғалыстағы зарядқа электр және магнит өрісі тарапынан күш әсері етеді (бұл күш Лоренц күші деп аталады). Тыныштықтағы зарядқа электрмагниттік өрістің тек электрлік құраушы күші ғана әсер етеді. Бұл жағдайда . Демек электрмагниттік өрісте орналасқан нүктелік зарядқа әсер ететін

Электрмагниттік өрістің күш сипаттамасы электр өрісінің кернеулік векторы - арқылы анықталады.

Электрмагниттік өрістің магниттік құраушасының күштік сипаттамасы магнит индукциясының векторы - болып табылады. Магнит өрісі тек қозғалыстағы зарядқа әсер етеді.Қозғалыстағы зарядқа электрмагниттік өрістің электрлік ұқраушысы да әсер етеді.

Электрмагниттік өрістің зарядқа әсер ететін күштік сипаттамасынан басқа да қасиеттері бар (белгілі энергия қоры бар,инерттік және гравитациялық массасы және т.б). Электрмагниттік өрістің қатысуымен өтетін барлық процестерде келесі негізгі заңдылықтар:импульстың сақталу заңы және импульс моментінің сақталу заңы; электр зарядының сақталу заңы (электрмагниттік өріске ғана тән заң);масса және энергияның өзара байланыс заңы орындалады.

Зат және өріске қатысты сақталу заңдарының орындалуы олардың ішкі бірлігін көрсетеді.Материяның бұл екі түрінің ортақ белгілері бар:

1) зат және өріс материяның екі түрі біздің санамызға байланыссыз өмір сүреді;

2) заттың және өрістің энергиясы бар;

3) оларға толқындық және корпускулалық қасиетке тән;

4) өрісте өтетін барлық процестернегізгі сақталу заңдарына бағынады;

5) зат және өріс бір-біріне әсер ете алады.Мысалы,өріс заттың қасиетін өзгертеді (поляризация,магниттелу),ал зат өріске әсер етеді әсер етеді (диэлектрлік және магниттік өтімділіктер);

6) зат пен өрістің бір-біріне айналуы (фотонның есесінен электрон-позитрон жұбының пайда болуы және керісінше процесте электрон-позитрон бірігіп екі гамма кванты түзіледі).

Бірақта электрмагниттік өріс пен затты ажырататын да қасиеттер бар:

1) заттан тұратын нысаналар бір-бірімен тікелей әсерлесе алмайды,әсерлесу бөлшек-өріс-бөлшек сұлбасы арқылы жүреді. Кернеулік үлкен болғанда,өрістің өзара әсерлесетінін қазіргі кездегі теория түсіндіріп,эксперимент дәлелдеп отыр;

2) затқа қарағанда өрістің белгілі бір тарау аймағын көрсету мүмкін емес;

3) белгілі бір аймақта бір мезгілде екі зат болды мүмкін емес,ал белгілі бір аймақта бірнеше өрістер бола алады;

4) затпен салыстырғанда өрістің энергиясының, тығыздығының, массасының шамасы өте аз;

5) заттың тыныштық массасы бар,ал фотонның (электрмагниттік өрістің кванты) тыныштық массасы нөльге тең;

6) зат бөлшектері вакуумдағы жарық жылдамдығынан аз,кез-келген жылдамдықпен қозғала алады,ал электрмагниттік өріс үшін күшті гравитациялық өріс жоқ болса екі жылдамдық:стационар өріс үшін нөльге тең де,еркін өріс (электрмагниттік өріс) үшін жарық жылдамдығына тең болады;

7) өріс затпен салыстырғанда санақ жүйесі бола алмайды,себебі оның тарау жылдамдығы қозғалыстағы жіне тынықтықтағы нысана үшін тұрақты шама болып табылады.

Электрмагнитті өрісті шартты түрде еркін және байланысқан деп бөледі.Байланысқан өріс бұл электр зарядынан бөліп алуға болмайтын өріс,ал еркін өріс зарядтан бөлініп кеңістікте электрмагниттік толқын ретінде тарайтын өріс.

Қорытындысында электрдинамика келесі күштер қарастырылады:

1.Тыныштықтағы зарядтардың өзара әсерлесу күші (вакуум үшін);ол центрлік күштерге жатады,әрі зарядтардың арақашықтығына байланысты,ал жылдамдығына тәуелді емес.

2.Токтың магнит тілшесіне әсер күші (Эрстед тәжірбиесі),ол тек әсерлесетін нысаналардың ара қашықтығына ғана емес,ток күшіне,сондай ақ ток күшінің өзі зарядқа және оның қозғалыс жылдамдығына) да байланысты болады.

3.Тоғы бар екі параллель өткізгіштердің өзара әсерлесу күші,ол центрлік күш емес.Бұл күш өткізгішітегі ток күшіне (демек зарядқа және оның қозғалыс жылдамдығына) және олардың ара қашықтығына кері пропорционал болады.

4.Қозғалыстағы зарядқа магнит өрісі тарапынан әсер ететін күш.Ол заряд шамасына және заряд жылдамдығына байланысты,бірақта центрлік күш емес.

Дәріс 13. Тақырыбы: Салыстырмалы теория элементтерін оқыту әдістемесі

Дәріс мазмұны: Салыстырмалылық теориясы дегеніміз — кеңістік пен уақыт туралы жаңа ілім болып табылады. Бұл теория бойынша физикадағы ең негізгі түсініктерді: кеңістік пен уақыт, масса және энергия, абсолюттілік және салыстырмалылық туралы түсініктерді қайта қарауға назар аударылады.

Салыстырмалылық теориясын политехникалық жағынан қарастыру да өте маңызды. Оның негізгі жағдайлары қазіргі кездегі үдеткіштерде, ядролық физикада және элементар бөлшектерде, ядролық энергетикада, кванттық оптикада, электродинамикада қолданылады.

Қазіргі кезде салыстырмалылық теорияның негізі және оның салдарлары эксперименттік түрде тексеріліп дәлелденді. Мысалы олардың қатарына релятивистік үдеткіштердің жұмысында бөлшек импульсының формуласының тексерілуі, ядролық электростанция жұмысындағы масса және энергия арасындағы байланыстың дәлелденуі, сонымен қатар көптеген зертханалардағы ядролық реакциялардың өтуі болып табылады.

Релятивистік эффект уақыттың баяулауы өте дәлдікпен мезондар мен гиперондардың және басқа да тұрақсыз бөлшектердің ыдырауын зерттеген кезде тексерілді. Уақыттың баяулау эффектісі сондай-ақ атомдық сағаттардың көмегімен тікелей тәжірибеде анықталды.

Айналасы 100 жылдың ішінде салыстырмалылық теориясы қазіргі кездегі әлемді танып білудің бір бөлігі, әрі теориялық толық анықталған және практика жүзінде дәлелденген физикалық теория болып табылады.

Салыстырмалылық теориясының идеяларын берудегі қиындық біздің күнделікті өмірдегі көріп-біліп жүргенімізге қарама-қайшы болып келетін түсініктердің болуы.

Мәселен, «Қозғалыстағы таяқшаның ұзындығы, тыныштықтағы ұзындығынан қысқа болады» және «Таяқшаның ұзындығы, оның қозғалыс жылдамдығына байланысты» - деген тұжырымдар. Оның үстіне салыстырмалылық принципіне байланысты табиғаттың барлық процесстері кез келген инерциялық санақ жүйесінде бірдей өтеді. Сондықтан да санақ жүйесі қандай жылдамдықпен қозғалса да ондағы таяқшаның ұзындығы өзгермей қалады. Егер де өзгеретін болса, онда жүйенің өз ішінде бақылаулар арқылы жүйенің қозғалысын анықтауға болар еді. Ал бұл салыстырмалылық принципіне қарама-қайшы. Бұдан шығатын қорытынды қандай санақ жүйесі болмасын таяқшаның ұзындығы өзгеріссіз қалуы керек. Таяқшаның ұзындығының қысқаруы немесе оның өзгеріссіз қалуы да, абсолют шындық ал мұндағы парадокстың туындауы анықтаманың дұрыс берілмеуінен. Шындығында, біріншіден таяқшаның қысқаруында біз релятивистік ұзындықты, яғни қозғалыстағы таяқшаның ұзындығын тыныштықтағы сызғышпен өлшегендегі, екіншіден кез келген санақ жүйесіндегі таяқшаның ұзындығы өзгеріссіз қалатыны, оның өзіндік ұзындығы, яғни таяқшамен салыстырғандағы тыныштықта тұрған сызғышпен өлшеген ұзындық бұл ұзындық әрине барлық жүйеде бірдей болады.

Осы мысалдан көретініміз релятивистік эффектілер туралы жай ғана айтып кетпей оқушыларға релятивистік жағдайдың парадокстығын түпкілікті, түсінікті етіп жеткізуіміз керек.

Сонымен сағат санының аздығына қарамастан кез келген физикалық теория сияқты, оның негізін, одан шығатын салдарларды бірінен кейін бірін мысалдар келтіре отырып логикалық айқын түрде түсіндірілуі қажет.

Екіншіден, релятивистік жағдайдың парадокстығы күнделікті көріп-біліп, танып жүрген тәжірибемізден Ньютон механикасына қарама-қарсы сияқты болып көрінеді.

Мұнда біз салыстырмалылық теорияның формулаларының барлығын аз жылдамдықтарда ʋ<<c Ньютон механикасының формулаларына айналатынын көрсетуіміз керек.