Фізіка
Выдавец: Народная асвета
Памер: 286с.
Мінск 1991
Г Я.МЯКІШАЎ Б.Б.БУХАЎЦАЎ
ФІЗІКА
Г Я. МЯ КІШАЎ, Б Б. БУ X АЎЦАЎ
ФІЗІКА
Ваганні і хвалі
Оптыка
Квантавая фізіка
Падручнік для 11 класа сярэдняй школы
Зацверджаны Дзяржаўным камітэтам СССР па народнай адукацыі
МІНСК «НАРОДНАЯ АСВЕТА» 1991
ББК 22.3я721 М99
УДК 53(075.3)
Падручнік атрымаў другую прэмію на Усесаюзным конкурсе падручнікаў для сярэдняй агульнаадукацыйнай школы
Пераклад зроблены па выданню:
Мякншев Г. Я, Буховцев Б. Б. Фязяка: Учеб. для 11го кл. сред. шк.— М.: Просвешенне, 1991.— 224 с.
Перакладчыкі: I. П. Крэнь, В. У. Амбражэвіч
4306021200— 052
М121—91
МЗОЗ(ОЗ) — 91
ISBN 5341007581
© Мякншев Г. Я.. Буховцев Б, Б.. 1991
© Пераклад на беларускую мову, Г, П. Крэнь, В. У. Амбражэвіч, 1991
НАКАЗ
У курсах фізікі IX і X класаў вывучалася пераважна класічная фізіка. Сучасныя праблемы мы закраналі толькі тады, калі размова ішла аб тэхнічных прымяненнях фізікі (паўправадніковыя прыборы, звышправоднасць і інш.).
Значная частка курса XI класа прысвечана сучаснай фізіцы, фізіцы XX стагоддзя. Тут даецца ўяўленне аб тэорыі адноснасці, квантавай тэорыі, фізіцы атамнага ядра і элементарных часціц. Найбольшыя цяжкасці, як вы, напэўна, лічыце, павінна выклікаць у вас вывучэнне менавіта гэтай часткі курса. У сапраўднасці ж самым складаным акажацца раздзел «Электрамагнітныя ваганні». Такі «перакос» вымушаны. Сучасная фізіка настолькі складаная матэматычна, што ў школе можна даць аб ёй толькі агульныя ўяўленні на якасным узроўні, амаль без матэматыкі.
А вось тэорыю ваганняў можна разгледзець дэталёва, выкарыстаўшы вашы веды матэматычнага аналізу. Гэта пытанне вельмі важнае для практыкі. Уся тэорыя пераменнага току — гэта тэорыя вымушаных электрамагнітных ваганняў. Акрамя таго, пры вывучэнні такой дакладнай колькаснай навукі, як фізіка, абмяжоўвацца толькі якаснымі апісаннямі з’яў нельга. Інакш вы не атрымаеце колькінебудзь правільнага ўяўлення аб гэтай навуцы.
У IX класе разглядаліся механічныя ваганні з мінімальным прыцягненнем матэматыкі. Пачаўшы вывучаць электрамагнітныя ваганні, вы пераканаецеся, што механічныя і электрамагнітныя ваганні апісваюцца аднолькавымі матэматычнымі законамі і пазнаёміцеся з больш дэталёвым апісаннем ваганняў.
Аб тым, як працаваць з падручнікам, гаварылася ва ўводзінах да падручніка для X класа. Гэтыя рэкамендацыі будуць карысныя для вас і ў XI класе.
3
ЭЛЕКТРАДЫНАМІКА
(працяг)
Раздзел 1. Электрамагнітная індукцыя
У X класе мы разглядалі электрычныя і магнітныя палі, якія не змяняюцца з цягам часу. Было высветлена, што электрастатычнае поле ствараецца нерухомымі зараджанымі часціцамі, а магнітнае поле — часціцамі, якія рухаюцца, г. зн. электрычным токам. Пяройдзем да знаёмства з электрычным і магнітным палямі, якія мяняюцца з часам.
Раздзел 1
ЭЛЕКТРАМАГНІТНАЯ ІНДУКЦЫЯ
Самы важны факт, які ўдалося выявіць,— гэта найцяснейшая ўзаемасувязь паміж электрычным і магнітным палямі. Магнітнае поле, якое змяняецца ў часе, параджае электрычнае поле, а электрычнае поле, якое змяняецца, параджае магнітнае. Без гэтай сувязі паміж палямі разнастайнасць праяўленняў электрамагнітных сіл не была б такой вялікай, якая яна ёсць на самай справе. He існавала б ні радыёхваль, ні святла.
§ 1. АДКРЫЦЦе ЭЛЕКТРАМАГНІТНАЙ ІНДУКЦЫІ
У 1821 г. Майкл Фарадэй запісаў у сваім дзённіку: «Ператварыць магнетызм у электрычнасць». Праз 10 гадоў гэта задача была ім вырашана.
He выпадкова першы, рашаючы крок у адкрыцці новых уласцівасцей электрамагнітных узаемадзеянняў быў зроблены заснавальнікам уяўленняў аб электрамагнітным полі — Фарадэем. Фарадэй быў упэўнены ў адзінай прыродзе электрычных і магнітных з’яў. Дзякуючы гэтаму ён зрабіў адкрыццё, якое ў далейшым лягло ў аснову будовы генератараў усіх электрастанцый свету, што ператвараюць механічную энергію ў энергію электрычнага току. (Крыніцы, якія працуюць па іншых прынцыпах: гальванічныя элементы, акумулятары і інш.— даюць нязначную долю электрычнай энергіі, якая вырабляецца.)
4
Электрычны ток, разважаў Фарадэй, здольны намагніціць кавалак жалеза. Ці не можа магніт, у сваю чаргу, выклікаць з’яўленне электрычнага току? Доўгі час гэту сувязь выявіць не ўдавалася. Цяжка было дадумацца да галоўнага, менавіта: толькі магніт, што рухаецца, або магнітнае поле, якое мяняецца ў часе, можа выклікаць электрычны ток у шпулі.
Якога характару выпадковасці маглі перашкодзіць адкрыццю, паказвае наступны факт. Амаль адначасова 'з Фарадэем атрымаць'электрычны ток у шпулі з дапамогай магніта спрабаваў швейцарскі фізік Каладон. Пры рабоце ён карыстаўся гальванометрам, лёгкая магнітная стрэлка якога змяшчалася ўнутры шпулі прыбора. Каб магніт не аказваў непасрэднага ўплыву на стрэлку, канцы шпулі, у якую Каладон усоўваў магніт, спадзеючыся атрымаць у ёй ток, былі выведзены ў суседні пакой і там далучаны да гальванометра. Уставіўшы магніт у шпулю, Каладон ішоў у суседні пакой і з засмучэннем пераконваўся, што гальванометр не паказвае току. Варта было б яму ўвесь час назіраць за гальванометрам, а кагонебудзь папрасіць заняцца магнітам, выдатнае адкрыццё было б зроблена. Але гэтага не здарылася. Магніт, што знаходзіцца ў спакоі адносна шпулі, не выклікае ў ёй току.
З'ява электрамагнітнай індукцыі заключаецца ва ўзнікненні электрычнага току ў праводзячым контуры, які або знаходзіцца ў спакоі ў пераменным у часе магнітным полі, або рухаецца ў пастаянным магнітным полі такім чынам, што лік ліній магнітнай індукцыі, якія пранізваюць контур, мяняецца. Яна была адкрыта 29 жніўня 1831 года. Рэдкі выпадак, калі дата новага выдатнага адкрыцця вядома так дакладна.
Першапачаткова была адкрыта электрамагнітная індукцыя ў нерухомых адзін адносна аднаго правадніках пры замыканні і размыканні ланцуга. Затым, ясна разумеючы, што збліжэнне або аддаленне праваднікоў з токам павінна прыводзіць да таго ж выніку, што і замыканне і размыканне ланцуга, Фарадэй з дапамогай доследаў даказаў, што ток узнікае пры перамяшчэнні шпуль адна адносна адной. Знаёмы з працамі Ампера, Фарадэй разумеў, што магніт — гэта сукупнасць маленькіх токаў, якія цыркулююць у малекулах. 17 кастрычніка, як зарэгістравана ў яго лабараторным журнале, быў выяўлены індукцыйны ток у шпулі ў час усоўвання (або высоўвання) магціта.
На працягу аднаго месяца Фарадэй доследным шляхам адкрыў усе істотныя асаблівасці з’яў электрамагнітнай індукцыі. У цяперашні час доследы Фарадэя можа паўтарыць кожны. Для гэтага трэба мець дзве шпулі, магніт, батарэю элементаў і дастаткова адчувальны гальванометр.
На ўстаноўцы, паказанай на рысунку 1, а, індукцыйны ток узнікае ў адной са шпуль у момант замыкання або размыкання электрычнага ланцуга другой шпулі, нерухомай адносна першай. У іншых доследах індукцыйны ток узнікае пры змяненні сілы току ў адной са шпуль з дапамогай рэастата (рыс. 1,6); пры
5
руху шпуль адна адносна адной (рыс. 2, а); пры руху пастаяннага магніта адносна шпулі (рыс. 2,6).
Ужо сам Фарадэй улавіў тое агульнае, ад чаго залежыць з’яўленне індукцыйнага току ў доследах, якія знешне выглядаюць парознаму.
У замкнутым праводзячым контуры ўзнікае ток пры змяненні ліку ліній магнітнай індукцыі, якія пранізваюць паверхню, абмежаваную гэтым контурам. I чым хутчэй мяняецца лік ліній магнітнай індукцыі, тым большы індукцыйны ток, які ўзнікае. Пры гэтым прычына змянення ліку ліній магнітнай індукцыі ўсё роўна якая. Гэта можа быць і змяненне ліку ліній магнітнай індукцыі, што пранізваюць паверхню нерухомага праводзячага контуру ў выніку змянення сілы току ў суседняй шпулі (гл. рыс. 1,6), і змяненне ліку ліній індукцыі з прычыны руху контуру ў неаднародным магнітным полі, частата ліній якога мяняецца ў прасторы (рыс. 3).
У праводзячым замкнутым контуры ўзнікае электрычны ток, калі контур знаходзіцца ў пераменным магнітным полі або рухаецца ў пастаянным у часе полі, так што лік ліній магнітнай індукцыі, якія пранізваюць контур, мяняецца.
1 1. У чым заключаецца галоўнае адрозненне пераменных электрычных і магнітных палёў ад пастаянных? 2. У чым заключаецца з'ява электрамагнітнай індукцыі? 3. Як павінен рухацца замкнуты праводзячы контур у аднародным магнітным полі, якое не залежыць ад часу, паступальна або вярчальна, каб у ім узнік індукцыйны ток?
Рыс. 3
6
§ 2. МАГНІТНЫ ПАТОК
Для таго каб даць дакладную колькасную фармулёўку закону электрамагнітнай індукцыі Фарадэя, трэба ўвесці новую велічыню — паток магнітнай індукцыі.
Вектар магнітнай індукцыі В характарызуе магнітнае поле ў кожным пункце прасторы. Можна ўвесці яшчэ адну велічыню, якая залежыць ад значэнняў вектара В не ў адным пункце, а ва ўсіх пунктах паверхні, абмежаванай плоскім замкнутым контурам.
Для гэтага разгледзім плоскі замкнуты праваднік (контур) з плошчай паверхні S, змешчаны ў аднароднае магнітнае поле. Нармаль п да плоскасці правадніка складае вугал а з напрамкам вектара магнітнай індукцыі В (рыс. 4). Магнітным патокам Ф (патокам магнітнай індукцыі) праз паверхню плошчай S называюць велічыню, роўную здабытку модуля вектара магнітнай індукцыі В на плошчу S і косінус вугла a паміж вектарамі В і п:
Ф = BS cos a. (1.1)
Здабытак В cos a = Вп уяўляе сабой праекцыю вектара магнітнай індукцыі на нармаль да плоскасці контура. Таму
Ф = В„5.
(12)
Магнітны паток наглядна можна растлумачыць як велічыню, прапарцыянальную ліку ліній магнітнай індукцыі, якія пранізваюць паверхню плошчай S.
Адзінкай магнітнага патоку з’яўляецца в е б е р. Магнітны паток у 1 вебер (1 Вб) ствараецца аднародным магнітным полем з індукцыяй 1 Тл праз паверхню плошчай 1 м2, размешчаную перпендыкулярна вектару магнітнай індукцыі.
Паток магнітнай індукцыі характарызуе размеркаванне магнітнага поля па паверхні, абмежаванай замкнутым контурам.
Рыс. 4
§ 3. НАПРАМАК ІНДУКЦЫЙНАГА ТОКУ. ПРАВІЛА ЛЕНЦА
Высветлім важнае пытанне аб напрамку індукцыйнага току.
Далучыўшы шпулю, у якой узнікае індукцыйны ток, да гальванометра, можна выявіць, што напрамак гэтага току залежыць ад таго, ці набліжаецца магніт да шпулі (напрыклад, паўночным полюсам), ці аддаляецца ад яе (гл. рыс. 2, б).
Дндукцыйны ток таго або іншага напрамку, які ўзнікае, неяк узаемадзейнічае з магнітам (прыцягвае яго або адштурхвае). Шпуля з токам, які праходзіць па ёй, падобна да магніта з двума полюсамі — паўночным і паўднёвым. Напрамак індукцыйнага току вызначае, які канец шпулі адыгрывае ролю паўночнага полюса (лініі магнітнай індукцыі выходзяць з яго). Абапіраючыся на закон захавання энергіі, можна прадказаць, у якіх выпадках шпуля будзе прыцягваць магніт, а ў якіх — адштурхваць яго.
КНІГІ ОНЛАЙН
