какие силы имеют электромагнитную природу
Какие силы имеют электромагнитную природу
1. Какие силы называются электромагнитными?
Дети и ученые
Лежащая на столе книга, конечно, не провалится сквозь стол, несмотря на притяжение к Земле. Всем известно, что книга не соскользнет, если даже стол немного наклонить. Никого обычно не удивляет способность ног резко увеличивать нашу скорость, если из-под ворот выскакивает злая собака. Наконец, мало кто размышляет о причинах, по которым книга, стол, камень и другие твердые тела сохраняют свою форму.
Дети и ученые
Очевидно, только в раннем детстве нас могут волновать вопросы о том, почему происходят вокруг нас самые обыденные явления. Но решение этих вопросов совершенно непосильно для ребенка, а взрослый человек очень редко возвращается к тем задачам, от решения которых отказался в детстве. Стремление к объяснению поведения «простых» вещей оказывается, по словам английского физика Перри, запрятанным далеко в глубине сознания, и ум привлекают явления неожиданные, непривычные. Только детям и ученым свойственна любознательность по отношению к самым привычным явлениям.
Вот почему во многих отношениях легче рассказать, например, о необычайных свойствах пространства и времени, вскрытых в теории относительности, чем объяснить, почему камень сохраняет свою форму. В первом случае мы немедленно ощущаем интерес к предмету, а второй факт настолько привычен, что объяснение его сразу рискует вызвать скуку.
В действительности же ответить на вопрос о причинах примелькавшихся явлений, перечисленных в начале этой главы, далеко не просто. Попытки разобраться в них очень быстро заведут нас весьма далеко. Собственно говоря, настолько далеко, насколько в настоящее время продвинулась наука. Не забираясь пока в такие глубины, проследим только на одном примере хотя бы начало цепочки вопросов, которые неизбежно возникнут у каждого, кто попытается вдуматься в объяснение обыденных фактов. Фактов, которые даже неудобно называть таким научным термином, как физические явления.
Сила упругости и ее «родственники»
Перед вами сейчас лежит на столе книга. На нее действует сила тяжести. Тем не менее она не падает вниз. Почему? Человек, не искушенный в науках, ответит: «Ей не дает падать стол». Но это ведь не объяснение, а просто указание на факт.
Тот, кто приобщился к школьной физике, пойдет дальше. На книгу, скажет он, действует сила со стороны стола, которая и уравновешивает силу тяжести. Эту силу называют силой упругости, и она возникает из-за небольшого, незаметного на глаз прогиба стола, вызванного книгой. Но ответить на вопрос, почему при прогибе стола возникает сила упругости, школьник уже вряд ли сможет.
Мы с вами также на этом месте прервем цепочку вопросов и ответов и вернемся к выяснению причины появления сил упругости только много страниц спустя. Для этого имеются весьма серьезные основания. Дело в том, что силы упругости имеют общее происхождение со многими другими силами, имеют многочисленную родню, и совсем не напоминают в этом отношении силы всемирного тяготения, у которых наука не отыскала на сегодняшний день даже самых отдаленных родственников.
Поэтому фактически смена «века пара» «веком электричества» означала лишь смену эпохи, когда мы не умели управлять электромагнитными силами, эпохой, когда мы научились распоряжаться ими по своему усмотрению.
С чего начать?
* ( Правда, к сожалению, у многих людей так велика привычка видеть объяснение в одном слове, если это слово достаточно авторитетно, что достаточно сказать: «здесь действует электричество», как они сразу удовлетворены, хотя к настоящему объяснению только после этого и нужно приступать.)
Пока мы только высказали утверждение, что большое количество разнообразных по форме взаимодействий имеет общую природу. В первую очередь, очевидно, нужно ответить на следующий вопрос: в чем же состоит общность перечисленных взаимодействий? Или, говоря иными словами: какие силы называются электромагнитными?
Электрически заряженные тела
Мы в дальнейшем не будем бояться некоторых повторений, памятуя мудрое замечание глубокомысленной Совы из чудесной книжки «Винни Пух и все остальные» о тот, что существуют вещи, которые «вы спокойно можете объяснить два раза, не рискуя, что кто-нибудь поймет, о чем вы говорите». Там это замечание относилось к объяснению того, что такое «Необходимая или Соответствующая Спинная Мускулатура», у нас речь пойдет о не менее сложных вещах.
Наша ближайшая цель будет состоять в знакомстве с основными законами электромагнитных взаимодействий. Только после этого мы сможем разобраться во всем богатстве проявлений электромагнитных сил и понять, почему эти силы столь широко распространены в природе и столь разнообразны.
Роль электромагнитных сил в природе и технике (окончание)
Электромагнитные взаимодействия
Все остальные силы, проявляющиеся в природе и используемые в технике, имеют электромагнитную природу. В повседневной жизни, за исключением притяжения к Земле и приливов, мы встречаемся в основном только с различными проявлениями электромагнитных сил. В частности, упругая сила пара имеет электромагнитную природу. Поэтому смена «века пара» «веком электричества» означала лишь смену эпохи, когда мы не умели управлять электромагнитными силами, эпохой, когда мы научились распоряжаться ими по своему усмотрению.
Трудно даже перечислить все проявления электромагнитных сил. Они определяют устойчивость атомов, объединяют атомы в молекулы, обусловливают взаимодействие между атомами и молекулами, приводящее к образованию конденсированных (жидких и твердых) сред. Все виды сил упругости и трения имеют электромагнитную природу; силы мышц и вся жизнедеятельность нашего организма и организмов животных основаны на электромагнитных взаимодействиях. То же самое относится и ко всем растениям.
Велика роль электрических сил в ядре атома. В атомном реакторе и при взрыве атомной бомбы именно эти силы разгоняют осколки ядер и приводят к выделению огромной энергии. Наконец, взаимодействие между телами осуществляется посредством электромагнитных волн: свет, радиоволны, тепловое излучение и др.
Главная причина состоит в том, что вещество построено из электрически заряженных частиц — электронов и атомных ядер. Причем имеются заряды двух знаков: положительные и отрицательные, что обеспечивает существование как сил притяжения, так и сил отталкивания. И эти силы очень велики по сравнению с гравитационными.
Электромагнитные силы медленно, как 
, убывают с расстоянием, подобно гравитационным силам. Но заряженные частицы образуют нейтральные системы — атомы и молекулы, силы взаимодействия между которыми проявляются лишь на очень малых расстояниях. Существен еще сложный характер электромагнитных взаимодействий: они зависят не только от расстояний между заряженными частицами, но и от их скоростей и даже ускорений.
Роль электродинамики в технике
К созданию электродинамики привела длинная цепь планомерных исследований и случайных открытий, начиная с обнаружения способности янтаря, потертого о шерсть, притягивать легкие предметы и кончая гипотезой Максвелла о порождении магнитного поля переменным электрическим полем.
Лишь во второй половине XIX в., после создания Максвеллом классической электродинамики, началось широкое практическое использование электромагнитных явлений. Изобретение радио А. С. Поповым и Г. Маркони — одно из важнейших применений принципов новой теории.
При развитии электродинамики впервые в истории человечества научные исследования предшествовали техническим применениям. Если паровая машина была построена задолго до создания термодинамики, то сконструировать электродвигатель или осуществить радиосвязь оказалось возможным только после открытия и изучения законов электродинамики.
Бесчисленные практические применения электромагнитных явлений преобразовали жизнь людей на земном шаре. Человечество создало вокруг себя некую новую «электрическую среду» со штепсельной розеткой на каждой стенке.
Широкое применение электродинамики связано с тем, что электрическую энергию легко передавать по проводам на большие расстояния и, главное, с помощью сравнительно несложных устройств преобразовывать в другие энергии: механическую, внутреннюю, энергию излучения и т. д.
Законы электродинамики лежат в основе всей электротехники и радиотехники, включая телевидение, видеозапись и почти все средства связи. Электродинамика составляет фундамент таких актуальных направлений современной физики, как физика плазмы и проблема управляемых термоядерных реакций, нелинейная оптика, магнитная гидродинамика, астрофизика, конструирование вычислительных машин, ускорителей элементарных частиц и т. д.
Границы применимости классической электродинамики
Как и любая другая физическая теория, классическая электродинамика Максвелла не является абсолютно точной. Она имеет определенные границы применимости.
Создание теории относительности не внесло каких-либо принципиальных изменений в электродинамику Максвелла. Напротив, именно развитие электродинамики привело в начале XX в. к созданию теории относительности. Дело в том, что электромагнитные процессы связаны с большими скоростями распространения взаимодействий. Теория Максвелла, описывающая эти взаимодействия, применима для процессов, протекающих с любыми скоростями, меньшими скорости света.
Границы применимости классической электродинамики устанавливаются квантовой теорией. Классическая электродинамика успешно описывает поведение электромагнитного поля при достаточно малых частотах колебаний этого поля. Чем больше частота колебаний, тем отчетливее обнаруживаются квантовые (корпускулярные) свойства электромагнитного поля. Подробнее этот вопрос мы обсудим в дальнейшем.
Область применимости классической электродинамики очень велика. И в рамках этой области человечество всегда будет пользоваться теорией Максвелла. По мнению американского физика Р. Фейнмана, «в истории человечества (если посмотреть на нее, скажем, через десять тысяч лет) самым значительным событием XIX столетия, несомненно, будет открытие Максвеллом законов электродинамики. На фоне этого великого открытия гражданская война в Америке в том же десятилетии будет выглядеть мелким провинциальным происшествием».
Наша задача в дальнейшем будет состоять в изучении основных законов электромагнитных взаимодействий, а также в знакомстве со способами получения электрической энергии и использованием ее на практике.
Занятие №7. Тема: «Силы в природе.»
Ищем педагогов в команду «Инфоурок»
Занятие №7. Тема: «Силы в природе.»
Сила – это физическая величина, мера воздействия. Она задаётся числами, а числа не действуют. Они показывают меру того, как действует тело. То есть на тело действует не сила, а другое тело.
Ниже представлены основные силы, действующие в природе. Придумывать не существующие силы при решении задач нельзя!
В безграничных просторах Вселенной, на нашей планете, в любом веществе, в живых организмах, в атомах, в атомных ядрах и в мире элементарных частиц мы встречаемся с проявлением всего лишь четырёх типов сил:
Но это притяжение существенно обычно лишь тогда, когда хотя бы одно из взаимодействующих тел так же велико, как Земля или Луна. Иначе эти силы столь малы, что ими можно пренебречь.
Важно
Электромагнитные силы действуют между частицами, имеющими электрические заряды.
Сфера их действия особенно обширна и разнообразна. В атомах, молекулах, твёрдых, жидких и газообразных телах, живых организмах именно электромагнитные силы являются главными. Такие, казалось бы, чисто механические силы, как силы трения и упругости, имеют электромагнитную природу. Велика их роль в атомах.
Важно
Ядерные силы действуют между частицами в атомных ядрах и определяют свойства ядер.
Важно
Слабые взаимодействия вызывают взаимные превращения элементарных частиц, определяют радиоактивный распад ядер, реакции термоядерного синтеза.
Сильные (ядерные) и слабые взаимодействия проявляются на таких малых расстояниях, когда законы механики Ньютона, а с ними вместе и понятие механической силы теряют смысл.
Интенсивность сильного и слабого взаимодействий измеряется в единицах энергии (в электрон-вольтах), а не единицах силы, и потому применение к ним термина «сила» объясняется многовековой традицией все явления в окружающем мире объяснять действием характерных для каждого явления «сил».
В механике мы будем рассматривать только гравитационные и электромагнитные взаимодействия.
В механике обычно имеют дело с тремя видами сил — силами тяготения, силами упругости и силами трения.
Точка приложения находится в центре тяжести тела. Сила тяжести всегда направлена вертикально вниз.
Эта сила возникает при движении тел и соприкосновении двух поверхностей. Возникает сила в результате того, что поверхности, если рассмотреть под микроскопом, не являются гладкими, как кажутся. Определяется сила трения по формуле:
Сила приложена в точке соприкосновения двух поверхностей. Направлена в сторону противоположную движению.
Так как тело представляем в виде материальной точки, силу можно изображать с центра
4. Сила реакции опоры
Представим очень тяжелый предмет, лежащий на столе. Стол прогибается под тяжестью предмета. Но согласно третьему закону Ньютона стол воздействует на предмет с точно такой же силой, что и предмет на стол. Сила направлена противоположно силе, с которой предмет давит на стол. То есть вверх. Эта сила называется реакцией опоры. Название силы «говорит» реагирует опора. Эта сила возникает всегда, когда есть воздействие на опору. Природа ее возникновения на молекулярном уровне. Предмет как бы деформировал привычное положение и связи молекул (внутри стола), они, в свою очередь, стремятся вернуться в свое первоначальное состояние, «сопротивляются».
Абсолютно любое тело, даже очень легкое (например,карандаш, лежащий на столе), на микроуровне деформирует опору. Поэтому возникает реакция опоры.
Специальной формулы для нахождения этой силы нет. Обозначают ее буквой 
, но эта сила просто отдельный вид силы упругости, поэтому она может быть обозначена и как 
Сила приложена в точке соприкосновения предмета с опорой. Направлена перпендикулярно опоре.
Так как тело представляем в виде материальной точки, силу можно изображать с центра
Сила упругости направлена противоположно деформации.
Так как тело представляем в виде материальной точки, силу можно изображать с центра
При последовательном соединении, например, пружин жесткость рассчитывается по формуле
При параллельном соединении жесткость
Жесткость образца. Модуль Юнга.
Формулы определения веса нет. Обозначается эта силы буквой 
.
Сила реакции опоры или сила упругости возникает в ответ на воздействие предмета на подвес или опору, поэтому вес тела всегда численно одинаков силе упругости, но имеет противоположное направление.
Сила возникает в результате взаимодействия тела с жидкость (газом), при его погружении в жидкость (или газ). Эта сила выталкивает тело из воды (газа). Поэтому направлена вертикально вверх (выталкивает). Определяется по формуле :
В воздухе силой Архимеда пренебрегаем.
9. Сила всемирного тяготения
Все тела взаимодействуют друг с другом. Так, две материальные точки, обладающие массой, притягиваются друг к другу с некоторой силой, которую называют гравитационной, или силой всемирного тяготения.
Сила всемирного тяготения — сила, с которой все тела притягиваются друг к другу.
Закон всемирного тяготения
Сила взаимного притяжения двух тел прямо пропорциональна произведению масс этих тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
F — сила всемирного тяготения, m1 и m2 — массы двух притягивающихся друг к другу тел, R — расстояние между этими телами, G — гравитационная постоянная ( G = 6,67∙10 –11 Н ∙ м 2 /кг 2 ).
Сила всемирного тяготения направлена по линии, соединяющей центры двух тел.
Для того, чтобы верно обозначить силы, необходимо перечислить все тела, с которыми исследуемое тело взаимодействует. Определить, что происходит в результате взаимодействия с каждым: трение, деформация, притяжение или может быть отталкивание. Определить вид силы, верно обозначить направление. Внимание! Количество сил будет совпадать с числом тел, с которыми происходит взаимодействие.
1. На некоторой планете сила тяжести, действующая на тело массой 200г, равна 1,8Н. определите по этим данным ускорение свободного падения на данной планете.
2. Как изменится сила всемирного тяготения, если массу одного из взаимодействующих тел уменьшить в 6 раз, а расстояние между взаимодействующими телами уменьшить в 2 раза?
3. Электровоз, трогаясь с места, развивает максимальную силу тяги 650кН. Какое ускорение он сообщит железнодорожному составу массой 3250т, если коэффициент трения равен 0,005?
1) Конькобежец массой 70кг скользит по льду. Какова сила трения, действующая на конькобежца, если коэффициент трения скольжения коньков по льду равен 0,02?
2) Какие силы надо приложить к концам проволоки, жёсткость которой 20кН/м, чтобы растянуть её на 1мм?
Если Вы считаете, что материал нарушает авторские права либо по каким-то другим причинам должен быть удален с сайта, Вы можете оставить жалобу на материал.
Какие силы имеют электромагнитную природу
Все многообразие взаимодействий между телами в настоящее время сводится к четырем фундаментальным взаимодействиям: гравитационному, электромагнитному, сильному и слабому. Соответственно, выделяется четыре вида сил природы.
Остановимся на силах электромагнитного и гравитационного происхождения.
К электромагнитным силам относятся силы упругости и силы трения. Появление этих сил объясняется взаимодействием заряженных частиц, входящих в состав атомов и молекул, из которых состоят тела.
При действии на тело силы, тело деформируется – изменяет свою форму и (или) размеры.
Сила упругости возникает в пружине, к которой подвешен груз. При увеличении силы, действующей на пружину, увеличивается и ее деформация.
Знак «–» показывает, что сила упругости, возникающая в теле, имеет направление противоположное его абсолютной деформации.
Коэффициент пропорциональности в уравнении называется коэффициентом трения скольжения.
Сила трения существует не только тогда, когда брусок движется по поверхности стола, но и тогда, когда он неподвижен относительно стола.
Сила трения покоя равна по модулю и направлена противоположно силе, приложенной к телу параллельно поверхности соприкосновения его с другим телом.
Сила трения покоя препятствует началу движения, удерживает соприкасающиеся тела в относительном покое.
С другой стороны, бывают такие случаи, когда именно сила трения покоя служит причиной начала движения тела. Так, при ходьбе именно сила трения покоя, действующая на подошву, сообщает нам ускорение.
Колеса автомобилей и других движущихся устройств отталкиваются от поверхностей с силой, равной по модулю и противоположно направленной силе трения покоя.
Тела, участвующие во взаимодействии, равноправны и сила действия равна силе противодействия: 
Следовательно, если на тело действует Земля и сообщает ему ускорение, то и тело действует на Землю и сообщает ей ускорение. Правда, это ускорение во столько раз меньше ускорения свободного падения, во сколько раз масса Земли больше массы тела.
В качестве такого тела можно рассмотреть Луну, которая вращается вокруг Земли по траектории близкой к окружности и имеет центростремительное ускорение, направленное к центру этой окружности.
Сравнивая центростремительное ускорение Луны с ускорением свободного падения тел вблизи Земли и радиус лунной орбиты с радиусом Земли, можно отметить, что радиус лунной орбиты больше радиуса Земли примерно в 60 раз. Ускорение свободного падения больше, чем ц Луны в 3600 раз. Иными словами, отношение ускорений отличается от отношения радиусов в 60 2 раз.
На основании этих данных можно сделать вывод о том, что сила гравитации обратно пропорциональна квадрату расстояния между взаимодействующими телами.
Распространяя полученные результаты на случай гравитационного взаимодействия любых тел, можно записать, что гравитационная сила, называемая иначе силой всемирного тяготения, прямо пропорциональна произведению масс взаимодействующих тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:
|
Данное выражение получено Ньютоном и носит название закона всемирного тяготения.
Выражение справедливо для тел, размеры которых малы по сравнению с расстоянием между ними, и для однородных тел шарообразной формы.
Коэффициент пропорциональности называется гравитационной постоянной.
Гравитационная постоянная показывает, с какой силой взаимодействовали бы два точечных тела массами по одному килограмму каждое, если бы они находились на расстоянии 1 м друг от друга.
Соответствующий опыт был произведен с помощью чувствительных весов. Измерения показали, что 
Допустим, что шар лежит на горизонтальной опоре. Шар взаимодействует с Землей и, если бы не было препятствия, под действием силы тяжести падал бы на Землю с ускорением свободного падения.
Шар действует на опору с силой 
равной по модулю силе тяжести 
а опора на шар – с равной по модулю, но противоположно направленной силе реакции опоры.
Вес и сила тяжести – это две разные силы, они приложены к разным телам. Вес – это сила, приложенная к опоре, а сила тяжести – к телу.
Рассмотрим случай, когда тело движется вместе с пружинными весами относительно Земли с ускорением 
направленным вниз. На тело действуют силы: сила тяжести 
сила упругости 
Как видно, вес тела в данном случае уменьшается по сравнению с весом покоящегося тела.
Аналогично можно показать, что если тело движется с ускорением, направленным противоположно ускорению свободного падения, то его вес увеличивается по сравнению с весом покоящегося тела.