МЫСАЛДАР 3 страница

(9)

мұнда - электр өткiзгiштiк коэффициенттерi. (6) - (9) формулалар шала өткiзгiш, плазма тәрiздес орталардың электрлiк қасиеттерiн сипаттауға кеңiнен қолданылады.

Тәжрибеден электр тогының магнит өрiсiн тудыратындығы, ал уақыт бойынша айнымалы магнит өрiсiнiң құйындық электр өрiсiн тудыратындығы белгiлi. “Магнит өрiсi” тақырыбын оқыту жөнiнде мынандай әдiстемелiк ескертпелер бар. Магнит өрiсiнiң әсерлiк сипаттамасы (- векторы) “магнит индукциясы” деп, ал зат iшiндегi магнит өрiсiнiң сипаттамасы (векторы) “магнит өрiсiнiң кернеулiгi” деп аталады. Яғни, электр өрiсiнiң сипаттамаларының атаулары мен мағыналары орын ауысқан. Бұл барлық оқулықтарда дәстүрлік қалыптасқан жағдай, оның себебi атау ұқсастықтарын қабылдағанда электрдинамика формулалары ыңғайлы, симметриялы болады. Магниттiк зат iшiндегi өрiстi сипаттау теориясы күрделi болғандықтан мектеп курсында векторы туралы айтылмаса да болады деген әдiстемелiк тұжырым бар.

Лекция 12

ТЕРБЕЛІС ПЕН ТОЛҚЫНДАР ТЕОРИЯСЫНЫҢ ӘДІСТЕМЕЛІК СҰРАҚТАРЫ

Әртүрлі табиғатты тербеліс пен толқындарды оқыту әдістемесі. Толқындардың дисперсиясы, квазибөлшектер. Фотон – электромагнитті әсерлесудің тасымалдаушысы.

Электрмагниттiк және механикалық құбылыстардың ұқсастығын пайдалану - әдiстеменiң тиiмдi нәтижелерiнiң бiрi. Тербелмелi контурдағы токтың энергиясымен бөлшектiң кинетикалық энергиясын, конденсатордың энергиясымен сығылған пружинаның энергиясын теңестiремiз:

. (1)

Бұл қатынастардан индуктивтiлiк пен массаның, заряд пен координаттың, сиымдылыққа керi шамамен пружинаның қатаңдылығының ұқсастығы шығады:

. (2)

Пружинаның тербелiсi мен контурдағы заряд тербелiсiнiң теңдеулерi де ұқсас болады:

. (3)

(3) - теңдеуден зарядтың тербелiсiнiң, оған сәйкес электр өрiсiнiң кернеулiгiнiң тербелiсiнiң формуласы шығады:

. (4)

Бұл формуланы электрмагниттiк толқын үшiн жалпылаймыз.

Толқындық процесте белгiлi қашықтықтан (- толқын ұзындығы) кейiн физикалық шамалардың мәнi қайталанады. Егер бiр нүктеде бақылау жүргiзсек, толқын (с - тoлқын жылдамдығы) уақыттан кейiн қайталанады. Демек, =const шартқа сай уақыт моменттерiнде толқындық шаманың қасиеттерi бiрдей болады. Егер орнына r жазсақ, кез келген r қашықтықпен кезкелген t уақытты байланыстыратын шарт аламыз. (4) - формулада t®t-r/c алмастыру жүргiзсек тербелiстiң таралуы- толқындық процестiң теңдеуiн аламыз:

(5)

,

мұндағы к толқындық сан деп аталады, Т - тербелiс периоды. Толқындық сан - толқындық вектордың сан мәнi, к r шамасын скалярлық көбейтiндiнiң нәтижесi деп түсiну керек. Жалпы жағдайда (векторлық түрде)

(6)

.

векторы толқынның таралу бағытын көрсетедi, оның құраушылары x, y, z бағыттарда толқынның таралуын сипаттайды.

Электрмагниттiк толқын материялық ортада таралғанда дисперсия құбылысы болады. Дисперсия, әдетте, тек жарық толқындарына қатысты айтылады және ол жарықтың сыну көрсеткiшiнiң (n) толқын ұзындығына () байланысын бiлдiредi. Қазiргi физикада толқын ұзындығы кезкелген электрмагниттiк толқын дисперсиясы қарастырылады және дисперсия деп w = w (к) байланысын айтады.

Бұл жағдай оқулықтарда түсiндiрiлмеген, арнайы талқылауды қажет етедi. Кәдiмгi дисперсия үшiн тәжрибелiк формула белгiлi:

, (7)

мұндағы А, В - тұрақты шамалар. Жиiлiктiң толқындық санға байланысын бейсызық түрде жазайық:

(8)

мұнда тербелмелi процестердiң аргументi тек тақ дәрежелi айнымалылар болу керек екендiгi ескерiлдi. Егер екендiгiн ескерсек (7), (8) формулалардағы айнымалылардың сәйкес екендiгiн байқаймыз. Сыну көрсеткiшi , ал диэлектрик өтiмдiлiк жиiлiкке байланысты функция , демек және байланыстарының физикалық мәнi бiр.

Дисперсиялық қатынастардың бейсызық формасы арқылы толқындардың таралуының жаңа заңдылықтары табылды. Мысалы, (8) - формула арқылы судың бетiнде таралатын амплитудасы үлкен, оқшауланған толқынның - солитонның формуласы табылды. Теориялық және тәжрибелiк түрде көптеген бейсызық ортада (сұйық, плазма, қатты дене т.б.) пайда болатын солитондар табылады. Солитонның мысалдары: алып құйындар (циклондар, антициклондар), нерв талшықтарымен өтетiн импульстер - аксондар, өте аз уақыт өмiр сүретiн ядролық резонанстық бөлшектер т.с.с.

Солитон түсiнiгi қазiргi физикада кеңiнен қолданылатын квазибөлшек түсiнiгiмен тығыз байланысты, оның бейсызық ортадағы арнаулы түрi болып табылады. Квазибөлшек - материялық ортадағы элементар қозулар, ұйтқулар, бөлшек тәрiздес шоғырланған толқындар. Басқаша айтқанда, квазибөлшектiң пайда болуы табиғаты әртүрлi (механикалық, электрмагниттiк, т.с.с.) әсердiң, импульстiң ортада жоғалмай таралуы. Анықтамасы бойынша квазибөлшек ылғи да қозғалыста болады. Квазибөлшектердiң мысалдары: сұйықта - турбон, плазмада-плазмон, қатты денеде-фонон, магниттiк ортада-магнон, шала өткiзгiште-экситон, асқын аққыш ортада - ротон т.с.с.

Квазибөлшектiң физикалық сипаттамаларын оны фотонға ұқсастырып анықтаймыз. Фотонның энергиясы , импульсi , қозғалыс массасы белгiлi:

. (9)

Квазибөлшек үшiн (8) - формула тәрiздес дисперсиялық қатынастар, яғни байланысы, ескерiледi:

. (10)

Бөлшек үшiн импульстiң сақталу заңы орындалады, ал квазибөлшектiң импульсi (квазиимпульс ) үшiн сақталу заңы жоқ, өйткенi соқтығысу нәтижесiнде толқындар бөлiнуi мүмкiн, ал шын бөлшектер (электрондар) бөлiнбейдi. Квазибөлшек ұғымын ғылымға алғаш Л.Ландау енгiздi, сөйтiп асқын аққыштық, асқын өткiзгiштiк сияқты күрделi құбылыстарды түсiндiрдi.

(10) - формулалар ендi фотонның өзiнiң табиғатын тереңiрек түсiнуге мүмкiндiк бердi. Оқулықтарда жазылғандай фотон әрi бөлшек, әрi толқын (электрмагниттiк өрiстiң кванты) деп түсiнудiң көптеген қиындықтары бар. Фотон үшiн “бөлшек” деген сөздiң кәдiмгi мағынасы жоқ: оның тыныштық массасы жоқ, заряды жоқ, оның зат iшiндегi өмiр сүру уақыты белгiсiз, т.с.с.

Егер фотонды физикалық вакуумде тұрақты с жылдамдықпен қозғалатын квазибөлшек деп қабылдасақ, айтылған әдiстемелiк қиындықтың бәрi шешiледi. Фотон үшiн физикалық вакуум дегенiмiз электрон-позитрондық құрылымы бар әлемдiк кеңiстiк. Бұл тұжырым кванттық электрдинамика ғылымының негiзi. Сонымен, фотон - ерекше ортаның квазибөлшегi. Осыдан кейiн физика оқулықтарындағы белгiлi “энергияның және импульстiң сақталу заңдарын пайдаланып фотонның электрон-позитрон жұбына айналуын неге сипаттауға болмайды?” деген сұраққа жауап бiрден берiледi, квазиимпульс сақталмайды.

Лекция 13

АТОМ ЯДРОСЫ ЖӘНЕ ЭЛЕМЕНТАР БӨЛШЕКТЕР ФИЗИКАСЫ БӨЛIМIНIҢ МАЗМҰНЫНА ӘДIСТЕМЕЛIК ТАЛДАУ

Байланыс энергиясы, нуклондардың өзара түрленуi. Орнықты элементар бөлшектер. Антибөлшектер. Бөлшектенген заряд. Кварктар.

Атом шағын ядродан және оның электрондық қабатынан тұрады. Ядроның электр заряды q = Ze, мұндағы Z - зарядтық сан (химиялық элементтiң реттiк нөмiрi), е - элементар заряд шамасы. Ядроның сипаттамалары үшiн арнаулы өлшемдер қолданылады. Ұзындық бiрлiгi - ферми (фемтометр):

1фм. = 10 ^-15 м.

Массаның атомдық бiрлiгi:

1м.а.б. = 1,66 · 10 ^-27 кг.

Бұл бiрлiкпен қатар оның Е_о=931,5 Мэв (мегаэлектронвольт),энергетикалық эквивалентi қолданылады.

Электрон массасының энергетикалық эквивалентi:

m_e = 5,48 · 10 ^-4 м.а.б. = 0,511 Мэв.

Ядроның массасын (М) атомдық бiрлiкпен өлшегендегi нәтижеге ең жақын бүтiн сан массалық сан (А) деп аталады.

Атом ядросының құрамына кiретiн бөлшектердiң ең алғаш белгiлi болғандары - протон және нейтрон. Протонның заряды бiр оң элементар зарядка (е) тең. Нейтронның электрлiк заряды жоқ. Ескеретiн нәрсе - нейтронның массасы (m_n = 939 Мэв) протонның массасынан (m_р = 939 Мэв) 0,2 % шамаға көп. Ядродағы протон саны Z, нейтрон саны N, ал жалпы нуклон (протон және нейтрон) саны массалық санға тең:

A=Z+N (1)

Нейтрон мен протон ерекше күш - ядролық күшпен бiр-бiрiне тартылады, сөйтiп ядро құрайды. Ендi олардың ядро құрамындағы (байланысқан күйдегi) энергиясы бос күйлерiндегi энергияларының қосындысынан аз болады. Бұл айырым байланыс энергиясы (D Е) деп аталады:

DЕ=(Zm_р + Nm_n - m_я )c² = Dmc², (2)

мұндағы m_я - ядроның массасы, Dm - масса ақауы. Атом ядросын бөлу үшiн ең аз дегенде D Е энергия жұмсау қажет. Әрбiр нуклон санына сәйкес келетiн меншiктi байланыс энергиясының (DЕ/А) массалық санға (А) байланысы график түрiнде барлық оқулықтарда келтiрiледi (11.1-сурет). Бұл графиктi физиканың түбегейлi заңдылықтарын түсiндiруге пайдалануға болады. Графиктiң сол жағында А өскенде DЕ >, яғни жеңiл ядролар қосылып ауыр ядро құрғанда, энергия бөлiнiп шығады. Мұндай реакциялар термоядролық синтез реакциялары деп аталады, олардың мысалы:

₁³Н +₁²Н ®₂⁴Не + ₀¹n. (3)

1-сурет. Байланыс энергияның массалық санға тәуелділігі

Сутегi изотоптары тритий және дейтерий қосылып гелий түзейдi және нейтрон бөлiп шығарады. Мұндай реакция нәтижесiнде 1г гелий түзiлсе 10 тонна жанармай жаққандағы энергия алынады. Термоядролық реакция әзiрше сутегi бомбасы түрiнде iске асырылып отыр, оны реттеп, бейбiт мақсатқа пайдалану қазiргi ғылым мен техниканың басты мақсаты.

Графиктiң оң жағында А азайғанда DЕ >, яғни ауыр ядролар ыдырап жеңiл ядроларға айналғанда энергия бөлiнедi. Тiзбектi бөлiну реакциясының мысалы:

. (4)

Уран изотопы торий изотопына және альфа-бөлшекке (гелий атомының ядросына) ыдырайды. Ыдырау реакциялары атом энергетикасының және атом бомбасының негiзi болып табылады. Қазiргi кездегi ғылыми, қоғамдық проблема атом энергиясын залалсыз пайдалану болып отыр.

Графиктiң орта тұсында, массалық саны темiрдiкiне жақын (А» 56) элементтер үшiн А өзгергенмен DЕ» 0, яғни бұл элементтер орнықты, энергия бөлiну процестерi тиiмдi емес. Ауыр элементтер ыдырап, жеңiл элементтер синтездiк реакцияға түсiп таусылғаннан соң (мысалы, жұлдыздар iшiнде) объект орнықты, темiр тәрiздес затқа айналады. Бұл жағдай нейтрондық жұлдыз, қара құрдым пайда болуының бастапқы кезеңi.

Элементар (қарапайым, негiзгi) бөлшек деп физиканың қазiргi даму деңгейi тұрғысынан қарағанда оны басқа қарапайым бөлiктерден тұрады деп қарастыруға болмайтын бөлшектердi айтамыз. Алғашында элементар бөлшек ретiнде электрон, протон, нейтрон және фотон қарастырылды. Бiрақ бос күйiндегi нейтрон

, (5)

схемасы бойынша протонға, электронға және антинейтронға ыдырайды. Сөйтiп, элементар бөлшектердiң түрленгiштiк қасиетi белгiлi болды. Кейiнiрек барлық элементар бөлшектердiң антибөлшектерiнiң болу мүмкiндiгi белгiлi болды. Антибөлшектiң бөлшекке заряды, немесе импульс моментi, т.б. қасиеттерi қарама-қарсы болады (электрон-позитрон, протон-антипротон, нейтрино-антинейтрино). Бөлшек пен антибөлшек соқтығысқанда олар жойылып (аннигиляция болып) өрiс кванты пайда болады. Мысалы, электрон-позитрон аннигиляциясында 2 фотон пайда болады:

. (6)

ғылымда бөлшектер мен антибөлшектердiң аннигиляциясы кезiнде бөлiнген энергия Әлемнiң ұлғаюының себепшiсi деген тұжырым бар.

Элементар бөлшектер туралы оқытудың мазмұнын анықтағанда алғашқы мағлұматта қандай бөлшектер туралы айту керек деген сұрақ туады. Алдымен ыдырамайтын, орнықтылығы үлкен бөлшектер (электрон, протон нейтрон, нейтринонның 3 түрi) туралы айтылады. Одан кейiн нуклондардың әсерлесуiн түсiндiруге қажет (алмасу механизмiн) тәжрибеде байқалған мезондар түсiнiгi қалыптастырылады.

Болу мүмкiндiгi тәжрибе нәтижесiнен туындайтын маңызды элементар бөлшектер- кварктар. Нейтрон мен протонды аса жылдам (релятивистiк) электрондармен атқылау олардың iшiнде бөлшектенген электр заряды бар элементар бөлшектердiң бар екендiгiн дәлелдедi (11.2-сурет). Нейтронның ортасында оң заряд, шетiнде терiс заряд бар, олардың қосындылары нольге тең. Ең қарапайым түрде 3 кварк арқылы нейтрон мен протонның құрылымын былай сипаттауға болады:

. (7)

Бiрақ басқа ядролық бөлшектердiң мысалы, мезондардың) құрылымы 3 кваркпен толық түсiндiрiлмейдi, сондықтан кварктардың көптеген басқа түрлерiн (әртүрлi “түсi” бар) енгiзу қажет болды. Жекеленген кварктер тәжрибеде тiкелей байқамайды, бұл факт олардың арасындағы қашықтық бойынша әлсiремейтiн, қайта артатын күш (желiм тәрiздi) арқылы түсiндiрiлдi.

Кварктер глюондармен (“желiм” кванттарымен) алмасу арқылы өзара әсерлеседi. Сонымен, физиканың қазiргi жетiстiктерi бойынша 36 кварк және антикварк, 8 глюон, 12 лептон (нейтрино,электрон т.б.) және олардың антибөлшектерi және фотон туралы, яғни барлығы 57 элементар бөлшек туралы айтуға болады. Фотон тағы да ерекше тұр, оның себебiн бiз жоғарыда түсiндiргенбiз.

Лекция 14

АСТРОНОМИЯНЫҢ НЕГІЗГІ БӨЛЕМДЕРІН ОҚЫТУ ЕРЕКШІЛІКТЕРІ

Астрономия – Ғалам туралы ғылым. Астрономиялық зерттеудің мақсаты мен есептеріне, астрономиялық бақылау әдістер мен аспаптарын және қосымша құралдарын қолдану ерекшіліктеріне байланысты астрономияда бірнеше үлкен тарауларды бөліктейді, әр тарау өздігінен жаратылыс-математикалық ғылым.

Белгілі бір шарттылықпен астрономияны «классикалық» және «қазіргі» деп бөлуге болады. Классикалық астрономия өзіне бірнеше тарауларды біріктіреді, негізгілері, түсініктері мен математикалық аппаратын қоса ХХ ғасырдан бұрын салынған, бірақ астрометрия (сфералық астрономия, тәжірибелі астрономия, іргелі астрономия) және аспан механикасы өзінің теориялық және тәжірибелік маңыздығын қазіргі кезге дейін жоғалтпаған. Қазіргі астрономия - астрофизика, жұлдыз статистикасы, космогония мен космология негізгі тараулары болып саналатын, дәуірлеу сатысында.

Барлық оқулықпен бағдарламалардың материалды оқуының бірнеше уақыт бойы өзгерместен бірдей тәртіп мен реттілігі сақталған, олар тарихи және оқушының түсінігіне жетімділігіне негізделген, негізгі тараулар және де бүкіл ғылымның даму этаптарына және оның негізгісінде жатқан ғылыми теорияның күрделіктің үдеуіне сәйкес.

Астрономияны оқу келесі тараулар бойынша жүргізіледі:

Сфералық астрономия ғарыш денелердің орнын, көрінетін және өз қозғалысын зерттейді және аспан сферасындағы шырақтардың орнын анықтау, жұлдыз каталог пен карталарды құрастыру, уақыт есептеу теориялық негіздерімен байланысты есептерді шығаруға арналған.

Іргелі астрометрия іргелі астрономиялық тұрақтыларды анықтау және іргелі астрономиялық каталогтарды құрастыру теориялық дәлелдеу бойынша жұмыс атқарады.

Тәжірибелік астрономия уақыт пен географиялық координаттарды анықтаумен айналысады, Уақыт Қызметін қамтамасыз етеді, күнтізбе мен географиялық және топографты карталарды есептеу мен құрастыру; астрономиялық бағыттау әдістері теңіз жүзу, авиация және космонавтикада кең таралған.

Аспан механикасы тартылыс күш әсерінен ғарыш денелердің қозғалысын зерттейді. Аспан объектілердің қозғалысын зерттеу қозғалыстың жалпы заңдылықтарын ескереді және талдалған координаттар жүйесіне қарағанда зерттелетін объектінің орны мен жылдамдығын кез-келген уақытта анықтайды. Астрометрия берілгендеріне, классикалық механиканың заңдары мен зерттеудің математикалық әдістері сүйеніп аспан механикасы ғарыш денелер мен олардың жүйелерінің траекториясы мен қозғалыс сипаттарын анықтайды, космонавтиканың теориялық негіз қызметін атқарады.

Астрофизика ғарыш объектілер, ғарыштық процесс және ғарыштық құбылыстардың негізгі физикалық қасиеттері мен сипаттамаларын (қозғалыс, құрылым, құрам және т.б.) қарастырады, бірнеше баптарға бөлініп: теориялық астрофизика; тәжірибелік астрофизика; планета және олардың серіктерінің (планетология және планетография) физикасы; Күн физикасы; жұлдыздар физикасы; сыртқығаламды астрофизика және т.б.

Космогония ғарыш объектілер мен олардың жүйелерінің пайда болуы мен дамуын зерттейді.

Космология Ғаламның пайда болуын, негізгі физикалық сипаттамаларын, қасиеттерін және эволюциясын зерттейді. Оның теориялық негізі қазіргі кездегі физикалық теориялар және астрофизика мен сыртқығаламды астрономияның берілгендері болып табылады.

Одан әрі астрономияның негізгі даму этаптарымен оның басқа гылымдармен байланысы туралы материалдарды беру керек. Осымен қатар оқытушы астрономия адамның тәжірибелік қажеттілігіне (адамның астрономиялық білімді әр ғасырда қолдану мысалымен ашылады) байланысты дамығанына және әлемдік мәдениеттің елеулі ажырамас бөлігі екенін үнемі оқушылардың назарына елеп тұру керек.

Астрономиялық білім жүйесін қалыптастырғанда негізгі қиыншылықтарының бірі тараудан тарауға дейін белгілі астрономиялық материалдың түсіндіру негізінде жатқан едәуір физикалық заңдармен теориялардың, осы заңдар мен теорияны түсіндіргенде қолданылатын математикалық аппараттың күрделенуі, және де астрономия, физика, математика курсында осы материалдар берілетін уақыты көбінесе сәйкес келмейді (қалып қалады, немесе озып кетеді); жиі қажетті физикалық және математикалық материал мектепте жеткіліксіз көлемде оқылады немесе мүлдем қарастырылмайды. Басқа қиыншылығы уақыттың созылмалы тапшылығы.

Дата добавления: 2014-10-31