Физика с нуля: Понимание законов Вселенной

Добро пожаловать в мир физики

Физика — это не просто набор скучных формул и задач про поезда, выезжающие из пункта А в пункт Б. Это язык, на котором разговаривает Вселенная. От падения яблока до движения галактик — всё подчиняется одним и тем же фундаментальным правилам. В этом курсе мы разберем эти правила с самого начала, шаг за шагом.

Наша первая остановка — механика. Это раздел физики, изучающий движение тел и причины, которые это движение вызывают. Механика — это фундамент, на котором строится всё остальное здание физики.

Кинематика: Как движутся тела?

Прежде чем понять, почему что-то движется, нужно научиться описывать, как это происходит. Этим занимается кинематика.

Представьте, что вы наблюдаете за летящим самолетом. Чтобы описать его полет другу, вам понадобятся определенные характеристики: где он находится, как быстро летит и меняет ли он скорость. В физике для этого есть строгие понятия.

Траектория, путь и перемещение

Часто в быту мы путаем путь и перемещение, но в физике это разные вещи.

* Траектория — это линия, вдоль которой движется тело. След от лыж на снегу — это видимая траектория. * Путь — это длина траектории. То есть, сколько метров вы реально «намотали» ногами или колесами. * Перемещение — это вектор (направленный отрезок), соединяющий начальную точку с конечной.

!Схема, показывающая разницу между извилистым путем и прямым вектором перемещения.

Если вы вышли из дома, прошли 5 километров по парку и вернулись домой, ваш путь равен 5 км, а перемещение равно нулю (так как вы вернулись в ту же точку).

Скорость и ускорение

Скорость показывает, как быстро меняется положение тела. Если движение равномерное (без рывков и торможений), формула проста:

Где — скорость, — пройденный путь, а — время, затраченное на этот путь.

Однако в реальности скорость редко бывает постоянной. Машина разгоняется на светофоре, тормозит перед поворотом. Изменение скорости во времени называется ускорением.

Где — ускорение, — конечная скорость, — начальная скорость, а — время, за которое произошло изменение скорости.

Если ускорение положительное — тело разгоняется. Если отрицательное — тормозит.

Динамика: Почему тела движутся?

Теперь перейдем к самому интересному. Почему мяч катится, если его пнуть? Почему он останавливается? Этим занимается динамика. Центральное понятие здесь — сила.

Сила — это мера воздействия одного тела на другое. Мы не видим саму силу, мы видим результат её действия: изменение скорости (ускорение) или деформацию тела.

В основе классической динамики лежат три закона, сформулированные Исааком Ньютоном в XVII веке. Эти законы работают повсюду: от бильярдного стола до запуска ракет.

Первый закон Ньютона: Закон инерции

Этот закон часто называют законом «космической лени». Он гласит:

> Если на тело не действуют силы или их действие скомпенсировано, то тело находится в покое или движется равномерно и прямолинейно.

Это противоречит нашему бытовому опыту. Мы привыкли: чтобы тележка ехала, её надо толкать. Если перестать толкать — она остановится. Аристотель считал, что покой — это естественное состояние тел. Ньютон же понял, что тележка останавливается не сама по себе, а из-за силы трения.

Если бы мы запустили тележку в глубоком космосе, где нет воздуха и трения, она летела бы вечно с одной и той же скоростью по прямой линии. Свойство тел сохранять свою скорость называется инерцией.

Пример из жизни: Вы едете в автобусе. Вдруг водитель резко тормозит. Что происходит с вами? Вы летите вперед. Почему? Потому что автобус остановился под действием тормозов, а ваше тело по инерции продолжает двигаться с прежней скоростью.

Второй закон Ньютона: Фундаментальный закон динамики

Это, пожалуй, самая известная формула в физике (после ). Она связывает причину (силу) и следствие (ускорение).

Где — сила, действующая на тело (измеряется в Ньютонах), — масса тела (в килограммах), а — ускорение, которое тело получает (в метрах на секунду в квадрате).

Что нам говорит эта формула?

Чем сильнее вы толкаете тело (больше ), тем быстрее оно разгоняется (больше ).

Чем тяжелее тело (больше ), тем труднее его разогнать той же силой.

!Иллюстрация зависимости ускорения от массы при одинаковой силе.

Масса в этом законе выступает как мера инертности. Чем больше масса, тем «ленивее» тело, тем сложнее изменить его скорость.

Третий закон Ньютона: Действие и противодействие

Этот закон часто цитируют философски, но в физике он имеет строгий смысл:

> Силы, с которыми два тела действуют друг на друга, равны по модулю и направлены в противоположные стороны.

Проще говоря: на всякое действие есть равное противодействие.

Важно понимать: эти силы не компенсируют друг друга, потому что они приложены к разным телам.

Рассмотрим пример:

Где — сила, с которой первое тело действует на второе, а — сила, с которой второе тело действует на первое. Знак минус означает противоположное направление.

Примеры: * Ходьба: Когда вы идете, вы толкаете Землю ногой назад. Согласно третьему закону, Земля толкает вас вперед. Именно благодаря этому толчку вы движетесь. * Отдача ружья: Пороховые газы толкают пулю вперед, а пуля (через газы) толкает ружье назад, ударяя стрелка в плечо. * Комар и лобовое стекло: Если автомобиль на скорости сбивает комара, сила удара для обоих одинакова. Но последствия разные: для комара эта сила фатальна из-за его малой прочности и массы (огромное ускорение), а автомобиль её даже не заметит.

Масса и Вес: В чем разница?

В обычной жизни мы используем слова «масса» и «вес» как синонимы. В физике это грубая ошибка.

Масса () — это количество вещества в теле и мера его инертности. Масса не меняется, куда бы вы ни полетели — хоть на Луну, хоть на Марс. Измеряется в килограммах (кг).

Вес () — это сила, с которой тело давит на опору или растягивает подвес из-за притяжения планеты. Измеряется в Ньютонах (Н), как и любая сила.

Формула веса покоящегося тела:

Где — вес тела, — масса тела, а — ускорение свободного падения.

На Земле . На Луне гравитация слабее, там . Поэтому космонавт массой 80 кг на Земле весит около 784 Ньютонов, а на Луне — всего около 128 Ньютонов. Он становится «легче» (вес уменьшился), но его масса (количество молекул в теле) осталась прежней.

!Сравнение веса одного и того же предмета на Земле и на Луне.

Заключение

Мы заложили первый камень в фундамент понимания физики. Мы узнали, как описывать движение (кинематика) и что заставляет тела двигаться (динамика). Три закона Ньютона — это правила игры, по которым существует наш макромир.

В следующей статье мы поговорим о том, что такое энергия, работа и мощность, и почему вечный двигатель невозможен.

Законы сохранения: Бухгалтерия Вселенной

В прошлой статье мы познакомились с тремя законами Ньютона. Они объясняют, как силы заставляют тела двигаться. Но в физике есть принципы еще более фундаментальные, чем законы Ньютона. Это законы сохранения.

Представьте, что Вселенная — это строгий бухгалтер. Она следит за тем, чтобы некоторые величины никогда не исчезали бесследно и не появлялись из ниоткуда. Они могут лишь переходить от одного тела к другому или менять свою форму. Сегодня мы разберем четыре кита, на которых держится этот баланс: импульс, работа, мощность и энергия.

Импульс: Количество движения

Начнем с понятия, которое интуитивно понятно каждому, кто хоть раз играл в боулинг или бильярд. Почему остановить катящийся теннисный мячик легко, а грузовик, едущий с той же скоростью, — невозможно?

В физике это свойство описывается величиной, называемой импульс (или количество движения).

Где — импульс тела (измеряется в кг·м/с), — масса тела, а — его скорость.

Импульс — это векторная величина, то есть у него есть направление, совпадающее с направлением скорости. Чем тяжелее тело и чем быстрее оно движется, тем больше его импульс.

Закон сохранения импульса

Это один из самых строгих законов природы. Он гласит:

> В замкнутой системе векторная сумма импульсов всех тел остается постоянной при любых взаимодействиях тел этой системы между собой.

Замкнутая система — это такая группа тел, на которую не действуют внешние силы (или их действие скомпенсировано).

!Иллюстрация передачи импульса при ударе бильярдных шаров.

Пример с пушкой: Представьте старинную пушку, стоящую на льду (чтобы убрать трение). Изначально пушка и ядро неподвижны. Их суммарный импульс равен нулю. Когда происходит выстрел, ядро летит вперед с огромной скоростью. У него появляется большой импульс. Чтобы общий баланс остался нулевым, пушка обязана покатиться назад. Это называется отдачей.

Где и — масса и скорость ядра, а и — масса и скорость пушки (направленная в противоположную сторону).

Именно на этом принципе работают ракеты. Ракета выбрасывает сгорающее топливо назад, и, отталкиваясь от него (сохраняя импульс), летит вперед.

Механическая работа

В обычной жизни мы говорим «я поработал», если просто устали. В физике слово работа имеет строгий смысл. Вы совершаете механическую работу только тогда, когда прикладываете силу и тело перемещается под действием этой силы.

Формула работы:

Где — механическая работа (измеряется в Джоулях, Дж), — приложенная сила, а — пройденный путь (перемещение).

Важные нюансы:

Если вы толкаете стену изо всех сил, потеете и устаете, но стена не сдвинулась (), то с точки зрения физики работа равна нулю.

Если вы несете тяжелый рюкзак по ровной дороге, вы тоже не совершаете работу по его подъему (сила направлена вверх, а движение — вперед, угол 90 градусов). Работа совершается только тогда, когда направление силы и движения хоть немного совпадают.

Мощность: Как быстро мы работаем?

Два человека могут поднять один и тот же кирпич на пятый этаж. Один сделает это за минуту, другой — за час. Работу они совершат одинаковую (подняли один и тот же груз на одну и ту же высоту). Но что отличается? Отличается мощность.

Мощность показывает скорость выполнения работы.

Где — мощность (измеряется в Ваттах, Вт), — совершенная работа, а — время, за которое эта работа выполнена.

* 1 Ватт — это работа в 1 Джоуль, совершенная за 1 секунду. * В автомобилях мы часто используем внесистемную единицу — лошадиную силу. 1 лошадиная сила 735 Ватт.

Энергия: Валюта Вселенной

Мы подошли к самому главному понятию. Энергия — это способность тела совершить работу. Если у тела есть энергия, оно может что-то сдвинуть, нагреть или сломать.

В механике существует два основных вида энергии.

1. Кинетическая энергия

Это энергия движения. Любое тело, которое движется, обладает кинетической энергией. От греческого kinesis — движение.

Где — кинетическая энергия, — масса тела, а — скорость тела.

Обратите внимание: скорость в формуле стоит в квадрате. Это значит, что если автомобиль разгонится в 2 раза быстрее, его энергия (и тормозной путь!) увеличится в 4 раза. Если в 3 раза быстрее — энергия вырастет в 9 раз. Именно поэтому превышение скорости так опасно.

2. Потенциальная энергия

Это энергия взаимодействия или скрытая энергия. В механике чаще всего речь идет об энергии тела, поднятого над землей. Если вы держите кирпич в руке, он не движется, но он может совершить работу, если вы его отпустите (например, разбить что-то внизу).

Где — потенциальная энергия, — масса тела, — ускорение свободного падения (на Земле м/с²), а — высота над нулевым уровнем (обычно над землей).

Также потенциальной энергией обладает сжатая пружина или натянутая тетива лука.

!Иллюстрация превращения потенциальной энергии в кинетическую при скатывании камня с горы.

Закон сохранения энергии

Это «золотое правило» физики. Энергия не возникает из ниоткуда и не исчезает в никуда. Она лишь переходит из одного вида в другой или от одного тела к другому.

В замкнутой системе полная механическая энергия сохраняется:

Где — кинетическая энергия, а — потенциальная энергия.

Пример с маятником:

Вы отвели маятник в сторону и вверх. В этой точке он замер. Скорость равна нулю, кинетической энергии нет. Но высота максимальна — вся энергия потенциальная.

Вы отпускаете маятник. Он летит вниз. Высота уменьшается (потенциальная энергия падает), но скорость растет (кинетическая энергия растет).

В самой нижней точке высота минимальна, зато скорость максимальна. Вся потенциальная энергия превратилась в кинетическую.

По инерции маятник летит дальше вверх, снова превращая кинетическую энергию в потенциальную.

Куда девается энергия в реальности?

Если закон сохранения верен, почему маятник рано или поздно останавливается? Почему вечный двигатель невозможен?

Дело в том, что мы живем не в идеальном мире. Существует сила трения и сопротивление воздуха. Механическая энергия маятника не исчезает, она превращается во внутреннюю энергию (тепло). Воздух и подвес маятника немного нагреваются. Энергия рассеивается в окружающую среду, но суммарное количество энергии во Вселенной остается неизменным.

Заключение

Сегодня мы узнали, как Вселенная ведет свой баланс. * Импульс объясняет столкновения и реактивное движение. * Работа связывает силу и перемещение. * Мощность показывает темп работы. * Энергия — это универсальная валюта, которая позволяет совершать работу и переходит из одной формы в другую.

Понимание этих законов открывает нам дверь к изучению более сложных явлений: от работы двигателей внутреннего сгорания до движения планет. В следующей статье мы спустимся с небес на землю и разберем силы, которые мешают нам жить и помогают нам двигаться — силы трения и сопротивления.

Молекулярная физика и термодинамика: Теплота, температура и агрегатные состояния

В предыдущих статьях мы рассматривали мир как набор крупных объектов: машин, планет, маятников. Мы изучили механику — науку о движении этих тел. Мы узнали, что энергия никуда не исчезает, а лишь переходит из одной формы в другую. Но вспомните пример с тормозящим автомобилем: его кинетическая энергия превращается в тепло. А что такое тепло?

Сегодня мы спустимся на уровень ниже. Мы заглянем внутрь вещества и узнаем, что происходит в невидимом мире атомов и молекул. Добро пожаловать в молекулярную физику и термодинамику.

Три кита молекулярной физики

Вся молекулярная физика строится на так называемой Молекулярно-кинетической теории (МКТ). Она базируется на трех простых утверждениях, которые сегодня кажутся очевидными, но когда-то были революционными:

Все тела состоят из частиц (атомов, молекул, ионов). Между ними есть промежутки.

Частицы находятся в непрерывном хаотическом движении. Они никогда не останавливаются.

Частицы взаимодействуют друг с другом. Они притягиваются на небольших расстояниях и отталкиваются, если их сблизить слишком сильно.

Лучшее доказательство этому — броуновское движение. Если посмотреть в микроскоп на капельку воды с пыльцой, можно увидеть, что частички пыльцы постоянно дрожат и двигаются. Это происходит потому, что молекулы воды, как невидимые футболисты, постоянно «пинают» пыльцу со всех сторон.

Что такое температура?

В быту мы говорим: «сегодня тепло» или «вода холодная». Но что это значит на языке физики?

В механике мы изучили кинетическую энергию (). Если молекулы движутся, значит, у них тоже есть кинетическая энергия. Чем быстрее движутся молекулы, тем выше эта энергия.

Температура — это мера средней кинетической энергии движения молекул тела. Проще говоря, температура — это «спидометр» молекул.

* Горячий чай: молекулы воды носятся с огромной скоростью. * Лед: молекулы воды лишь слегка колеблются на своих местах.

Связь между энергией и температурой выражается формулой Больцмана:

Где — средняя кинетическая энергия молекулы, — абсолютная температура (в Кельвинах), а — постоянная Больцмана (фундаментальная константа природы).

Шкала Кельвина и Абсолютный ноль

Мы привыкли к шкале Цельсия, где — это замерзание воды. Но для физики эта шкала неудобна. Ведь температура — это движение. Если мы будем охлаждать тело, молекулы будут двигаться всё медленнее. Рано или поздно они должны остановиться совсем.

Эта точка полной остановки теплового движения называется абсолютный ноль. Ничего холоднее во Вселенной быть не может. Это .

В физике используют шкалу Кельвина: * К (Кельвинов) — абсолютный ноль. * К — таяние льда (). * К — кипение воды ().

Внутренняя энергия и Теплота

Сумма кинетических энергий всех молекул тела и потенциальных энергий их взаимодействия называется внутренней энергией.

Изменить внутреннюю энергию можно двумя способами:

Совершить работу (потереть ладони друг о друга — они нагреются).

Теплопередача (прикоснуться к горячей батарее).

Количество теплоты () — это энергия, которую тело получает или теряет в процессе теплопередачи. Измеряется она, как и любая энергия, в Джоулях (Дж).

Нагревание и удельная теплоемкость

Почему песок на пляже днем раскаленный, а вода в море прохладная, хотя солнце греет их одинаково? Дело в теплоемкости.

Формула для расчета теплоты при нагревании:

Где — количество теплоты, — удельная теплоемкость вещества, — масса тела, а — изменение температуры (на сколько градусов нагрелось или остыло).

Удельная теплоемкость () показывает, сколько энергии нужно затратить, чтобы нагреть 1 кг вещества на 1 градус.

* У воды теплоемкость огромная ( Дж/кг·C). Она медленно нагревается и медленно остывает. Поэтому моря смягчают климат. * У железа теплоемкость низкая ( Дж/кг·C). Сковородка нагревается моментально.

Агрегатные состояния вещества

Одно и то же вещество (например, ) может быть твердым льдом, жидкой водой или газообразным паром. От чего это зависит? От вечной борьбы между тепловым движением (которое пытается разбросать молекулы) и силами притяжения (которые пытаются собрать их вместе).

!Сравнение расположения и движения молекул в твердом, жидком и газообразном состояниях.

1. Твердое тело

Здесь побеждают силы притяжения. Молекулы выстроены в строгом порядке (кристаллическая решетка). Они не могут покинуть свои места, только колеблются вокруг них. Поэтому твердые тела сохраняют и форму, и объем.

2. Жидкость

Силы притяжения и энергия движения примерно равны. Молекулы всё еще держатся вместе («толпой»), но уже не привязаны к конкретным местам. Они могут перескакивать и меняться местами. Поэтому жидкость сохраняет объем, но не сохраняет форму (течет).

3. Газ

Здесь побеждает движение. Молекулы летают с огромными скоростями, сталкиваясь друг с другом. Расстояния между ними огромны. Силы притяжения почти не действуют. Газ не сохраняет ни формы, ни объема — он занимает всё доступное пространство.

Фазовые переходы: Магия превращений

Что происходит, когда мы греем лед? Сначала его температура растет. Но когда она достигает , происходит странное: мы продолжаем греть, а температура не растет.

Куда девается энергия? Она идет не на разгон молекул (повышение температуры), а на разрыв связей между ними. Разрушается кристаллическая решетка.

Этот процесс называется плавлением.

Формула теплоты плавления:

Где — количество теплоты, — масса, а (лямбда) — удельная теплота плавления (сколько энергии нужно, чтобы расплавить 1 кг вещества при температуре плавления).

То же самое происходит при кипении. Температура кипящей воды () не меняется, пока вся вода не выкипит. Энергия идет на то, чтобы оторвать молекулы друг от друга и отправить их в полет.

Формула парообразования:

Где — удельная теплота парообразования.

> Интересный факт: Чтобы превратить 1 кг кипятка в пар, нужно в 5 раз больше энергии, чем чтобы нагреть этот килограмм воды от нуля до кипения. Ожог паром гораздо опаснее ожога кипятком именно из-за этой скрытой энергии.

Заключение

Мы выяснили, что теплота — это форма энергии, связанная с хаотическим движением триллионов маленьких частиц. Мы поняли, что температура — это мера скорости этих частиц, а агрегатное состояние зависит от того, насколько сильно частицы держатся друг за друга.

Эти знания — мост между механикой и более сложными разделами физики. В следующей статье мы поговорим об электричестве — силе, которая удерживает электроны вокруг атомов и заставляет работать наши гаджеты.

Электричество и магнетизм: От электрического заряда до электромагнитной индукции

В прошлой статье мы погрузились в мир молекул и узнали, что тепло — это просто хаотичное движение частиц. Но что удерживает эти частицы вместе? Почему электроны крутятся вокруг ядер атомов, а твердые тела не рассыпаются в пыль? Ответ кроется в одной из самых могущественных сил Вселенной — электромагнетизме.

Сегодня мы пройдем путь от крошечного электрона до гигантских генераторов электростанций, которые питают наши дома.

Электрический заряд: Фундамент материи

Вспомним строение атома. В центре находится тяжелое положительно заряженное ядро, а вокруг него летают легкие отрицательно заряженные электроны. Именно наличие электрического заряда делает эти частицы особенными.

Электрический заряд — это свойство материи, которое позволяет телам взаимодействовать друг с другом посредством электрических полей. Это «врожденная» характеристика, как масса.

Существует два фундаментальных правила:

Разноименные заряды притягиваются (плюс тянется к минусу).

Одноименные заряды отталкиваются (плюс отталкивает плюс).

!Иллюстрация основного закона электростатики: одноименные заряды отталкиваются, разноименные притягиваются

Закон Кулона

Сила взаимодействия между двумя неподвижными точечными зарядами описывается законом, который открыл Шарль Кулон. Он удивительно похож на закон всемирного тяготения Ньютона, но вместо масс здесь фигурируют заряды.

Где: * — сила взаимодействия (в Ньютонах). * — коэффициент пропорциональности (зависит от среды). * и — величины зарядов (в Кулонах). * — расстояние между зарядами.

Обратите внимание: сила убывает пропорционально квадрату расстояния. Если вы отодвинете заряды в 2 раза дальше, сила ослабнет в 4 раза. Но в отличие от гравитации, которая только притягивает, электрическая сила может и отталкивать. Причем электрическая сила в миллиарды раз мощнее гравитационной. Мы не проваливаемся сквозь пол именно потому, что электроны в подошвах наших ботинок отталкиваются от электронов пола.

Электрический ток: Упорядоченное движение

Когда заряды стоят на месте — это электростатика (потерли шарик о волосы — волосы встали дыбом). Но самое интересное начинается, когда заряды начинают двигаться. Упорядоченное движение заряженных частиц называется электрическим током.

Чтобы понять, как работает ток, представьте водопроводную систему. Это классическая аналогия, которая идеально объясняет три главные характеристики электричества.

!Аналогия между потоком воды и электрическим током

1. Сила тока (Аналог: поток воды)

Это количество заряда, протекающего через сечение проводника за единицу времени. Чем больше электронов бежит по проводу, тем больше сила тока.

Где: * — сила тока (измеряется в Амперах, А). * — заряд, прошедший через проводник. * — время прохождения.

2. Напряжение (Аналог: давление воды)

Чтобы вода потекла по трубе, нужен насос, создающий разницу давлений. Чтобы электроны побежали по проводу, нужно электрическое поле, создающее разность потенциалов, или напряжение. Батарейка или розетка — это «насосы» для электронов.

3. Сопротивление (Аналог: толщина трубы)

Проводник не идеален. Атомы кристаллической решетки мешают электронам лететь свободно, они сталкиваются с ними, теряя энергию (именно поэтому провода греются). Это свойство называется сопротивлением.

Закон Ома для участка цепи

Эти три величины связаны самой важной формулой в электротехнике — законом Ома:

Где: * — сила тока (Амперы). * — напряжение (Вольты). * — сопротивление (Омы).

Смысл формулы прост: чем сильнее вы «толкаете» электроны (больше напряжение ), тем быстрее они бегут (больше ток ). Но чем сложнее им пробираться (больше сопротивление ), тем поток слабее.

Магнетизм: Вторая сторона медали

Долгое время ученые считали, что электричество и магнетизм — это разные явления. Электричество живет в грозовых тучах и янтаре, а магнетизм — в компасах и железной руде.

В 1820 году датский физик Ханс Кристиан Эрстед заметил странную вещь: когда он включал ток в проводе, стрелка компаса, лежащего рядом, отклонялась. Это был шок. Оказалось, что движущийся электрический заряд создает магнитное поле.

Магнетизм — это не отдельная сущность. Это релятивистский эффект электричества. Магнитного поля без движения зарядов не бывает.

А как же постоянные магниты?

Вы спросите: «А где ток внутри магнита на холодильнике? Он же никуда не подключен». На самом деле, внутри магнита текут миллиарды микротоков. Электроны вращаются вокруг ядер атомов и вокруг своей оси (спин). В обычном куске железа эти микромагнитики направлены вразнобой и гасят друг друга. В магните же они выстраиваются строго в одну сторону, создавая мощное суммарное поле.

!Разница во внутренней структуре обычного металла и магнита

Электромагнитная индукция: Открытие века

После открытия Эрстеда (ток создает магнит) ученые задались обратным вопросом: «А может ли магнит создать ток?». Английский физик Майкл Фарадей потратил 10 лет, пытаясь решить эту задачу. Он носил в кармане магнит и катушку проволоки, надеясь увидеть искру.

И однажды он понял: просто лежащий рядом магнит тока не дает. Ток появляется только тогда, когда магнит движется или магнитное поле меняется.

Это явление назвали электромагнитной индукцией.

> Изменяющееся магнитное поле порождает электрическое поле (и ток в замкнутом контуре).

Закон электромагнитной индукции Фарадея:

Где: * — электродвижущая сила (ЭДС), или возникающее напряжение индукции. * — изменение магнитного потока (насколько сильно изменилось магнитное поле, пронизывающее контур). * — время, за которое это изменение произошло.

Знак «минус» здесь очень важен (правило Ленца). Он означает, что природа консервативна: возникающий ток всегда пытается создать свое магнитное поле так, чтобы противодействовать причине, его вызвавшей. Если вы вталкиваете магнит в катушку, катушка станет электромагнитом и будет отталкивать его обратно.

!Демонстрация возникновения тока при движении магнита внутри катушки

Почему это так важно?

Без открытия Фарадея наша цивилизация выглядела бы иначе. Почти все электричество в мире вырабатывается благодаря этому закону.

Генератор на электростанции — это просто гигантский магнит, который вращается внутри огромной катушки (или наоборот). Неважно, что крутит этот магнит — пар от сжигания угля, поток воды на ГЭС или ветер. Главное — создать движение, чтобы механическую энергию превратить в электрическую.

Заключение

Мы увидели, как тесно переплетены силы природы. Неподвижные заряды создают электрическое поле. Движущиеся заряды (ток) рождают магнитное поле. А меняющееся магнитное поле снова рождает ток. Этот танец полей называется электромагнитным полем.

Именно электромагнитные волны позволяют вам читать этот текст через Wi-Fi, слушать радио и видеть свет (ведь свет — это тоже электромагнитная волна). Но об этом — в разделе «Оптика».

Колебания, волны и введение в современную физику: Оптика и атомы

В предыдущей статье мы остановились на том, как электричество и магнетизм танцуют свой бесконечный вальс, порождая электромагнитное поле. Мы упомянули, что свет — это тоже электромагнитная волна. Но что такое волна? Как она движется? И почему, углубляясь в природу света, ученые были вынуждены переписать законы физики и создать квантовую механику?

Сегодня мы пройдем путь от качающегося маятника до строения атома. Это финальная глава нашего базового курса, где классическая физика встречается с современной.

Колебания: Ритм Вселенной

Прежде чем говорить о волнах, нужно понять, что их рождает. Источником любой волны является колебание.

Колебание — это движение, которое повторяется во времени. Ваше сердце бьется, качели качаются, струна гитары дрожит, атомы в кристалле вибрируют. Всё это — колебательные системы.

Чтобы описать колебание, нам нужны две главные характеристики:

Период () — это время, за которое совершается одно полное колебание (туда и обратно). Измеряется в секундах.

**Частота ( или )** — это количество колебаний, совершаемых за одну секунду. Измеряется в Герцах (Гц).

Эти величины связаны простейшей формулой:

Где — частота колебаний, а — период колебаний.

Если маятник делает одно колебание за 0.5 секунды, его частота равна 2 Герцам (2 раза в секунду).

!Иллюстрация одного полного цикла колебания маятника.

Еще одна важная характеристика — амплитуда. Это максимальное отклонение от положения равновесия. Если вы сильно толкнете качели, амплитуда будет большой. Если слабо — маленькой. Важно помнить: в идеальной системе (без трения) амплитуда не влияет на период колебаний. Качели качаются с одинаковой частотой, независимо от того, высоко вы взлетели или нет (это открыл Галилей).

Волны: Путешествие энергии

Что произойдет, если мы свяжем много маятников пружинками и толкнем первый? Он передаст движение второму, второй — третьему, и так далее. По цепочке побежит возмущение. Это и есть волна.

> Волна — это распространение колебаний в пространстве с течением времени.

Самое главное, что нужно запомнить о волнах: волна переносит энергию, но не переносит вещество.

Когда вы бросаете камень в пруд, вода не течет от центра к берегу. Молекулы воды просто поднимаются вверх и опускаются вниз, оставаясь на своих местах. К берегу бежит только форма (гребень) и энергия.

Характеристики волны

У волны есть свои параметры:

* Длина волны ( — лямбда) — это расстояние между двумя соседними гребнями (или впадинами). Это «шаг» волны. * Скорость волны () — как быстро гребень перемещается в пространстве.

Связь между скоростью, длиной и частотой описывается главной формулой волновой физики:

Где — скорость распространения волны, — длина волны, а — частота колебаний.

Звук vs Свет

Волны бывают разными. Два главных типа, с которыми мы сталкиваемся:

Механические волны (например, звук). Им обязательно нужна среда (воздух, вода, металл). В космосе, в вакууме, звука нет, потому что там нечему колебаться и передавать удар.

Электромагнитные волны (свет, радиоволны, рентген). Им среда не нужна. Они могут путешествовать в полной пустоте. В этом случае колеблется не вещество, а электрическое и магнитное поля.

Оптика: Природа света

Оптика — это раздел физики, изучающий свет. Долгое время ученые спорили: свет — это поток частиц (корпускул) или волна? Исаак Ньютон был за частицы, а Христиан Гюйгенс — за волны.

Победила (временно) волновая теория, потому что она отлично объясняла два явления:

1. Отражение

Свет отскакивает от зеркала. Угол падения равен углу отражения. Это похоже на то, как отскакивает мячик, но также и на то, как морская волна отбивается от бетонной набережной.

2. Преломление

Почему ложка в стакане с водой кажется сломанной? Потому что свет меняет свою скорость, переходя из воздуха в воду.

В вакууме свет летит с предельной скоростью во Вселенной:

Где — скорость света в вакууме.

Но в воде или стекле свету двигаться труднее, он замедляется. Из-за изменения скорости меняется и направление луча. Это явление называется преломлением.

[VISUALIZATION: Схема преломления света: луч падает из воздуха в воду и меняет угол наклона. Показана