31 Окт

ПРОБЛЕМЫ ФОРМИРОВАНИЯ НЕКОТОРЫХ ПОНЯТИЙ КУРСА «ЭЛЕКТРИЧЕСТВО» НА ОСНОВЕ НЕЛИНЕЙНОЙ ФИЗИКИ




Номер части:
Оглавление
Содержание
Журнал
Выходные данные


Науки и перечень статей вошедших в журнал:

Электрический заряд неотъемлемое свойство элементарной частицы – электрона. С точки зрения современной физики элементарной частицей называются частицы, которые не могут состоят из более простых частей. Электрон имеет отрицательный заряд, численное значение которого равно положительному заряду протона  – 1,6*10-19 Кл.

По мнению ученых-физиков, электрон является самой важной элементарной частицей. Он ответствен за все перемещения электрического заряда, которые мы наблюдаем в быту и технике. Кроме того, вся обычная химия с ее обширным многообразием химических реакций и соединений целиком обязана электрону.

В науке существует методика, где свойства, методы измерения объектов неизвестной внутренней структуры используются для установления закономерностей протекания тех или иных явлений. Одним из таких примеров является использование электрического заряда для объяснения явлений происходящих в природе [1].

В настоящее время существуют многочисленные методы измерения электрического заряда, большинство которых основаны на взвимодействий заряженных частиц с электрическим и магнитным полями, например: элетростатический (опыт Милликена);  электромагнитный (определение удельного заряда на основе измерения силы Лоренца); методы основанные на явлений электролиза и т.д. Величина электрического заряда  можно измерить  и с помощью  закона Кулона. Во всех  взаимодействиях заряженных тел и частиц, во всех  исследованных до настоящего времени электрических явлениях выполняется закон сохранения электрического заряда.

Поскольку каждая частица характеризуется определенным, присущим только ей электрическим зарядом, то в области физических  явлений, в которой не происходят взаимопревращений частиц, закон сохранения заряда можно рассматривать как следствие сохранения числа частиц. Так при электризаций макроскопических тел число заряженных частиц не меняется, а происходит их перераспределение в пространстве: заряженные частицы  переносятся с одного тела на другое.

В процессах взаимопревращений частиц их число не сохраняется – одни исчезают, а другие рождаются,  но при этом закон сохранения заряда строго выполняется. Рождение “новой”  заряженной частицы возможно только при исчезновении  “старой” частицы с таким же зарядом.

 Главная особенность электрического заряда образование вокруг него зоны действия на другие заряженные частицы, т.е. электрического поля. Электрический заряд  и его поле неразделимы и не существуют друг без друга. Поскольку поле действует на другие  заряженные частицы и тела находящиеся в зоне его действия с  некоторой силой, то оно материально. Материя существует в виде вещества и поля. Таким образом, электрстатическое поле есть особый вид материи вокруг заряженного тела.

Экспериментально потверждено, что  вблизи проводника с током возникает магнитное поле, а изменяющееся во времени переменное магнитное поле рождает вихревое  электрическое поле. В связи с этим, при прохождении тем, посвященных “магнитному полю” применяются  следующие специальные методические приемы.

  1. Силовая характеристика магнитного поля  (вектор  ) называется “магнитной индукцией”, а для описания свойств магнитного поля внутри вещества используется  напряженность  магнитного поля  (вектор ). Здесь по сравнению с электрическим полем названия  и смысл  этих понятий  поменялись местами. Если  бы  характеристики этих полей соответствовали бы смыслу, т.е выполнялись бы условия  то  и  формулы  описывающие их были бы удобны в использовании и симметричны. Но изначально принятые обозначения и смысл  не  стали трогать.Так как  теория описания поля  в  магнитном  веществе весьма сложная, есть мнения не говорить  о векторе  в  школьном  курсе  физики.

Обобщения экспериментальных работ, посвященные электрическим и магнитным явлениям Фарадеем, Максвеллом и др. доказали, что колеблющиеся  заряды испускают электромагнитные волны. В  отношении к электрическим и магнитным явлениям в природе  существует только электромагнитное поле. Отдельно об электрическом или магнитном поле  говорят исходя от выбранной системы координат. Покоящийся заряд имеет электрическое  поле, а магнитное – не имеет. Движущийся заряд, по заключению покоящегося наблюдателя, рождает магнитное поле. Если наблюдатель движется вместе с зарядом, то обнаруживается  только  электрическое поле, а  магнитное – нет.

Использование подобия  электромагнитных и механических  явлений один из  эффективных  результатов применения методики. Здесь сравниваются: энергия тока и  кинетическая энергия частицы; энергии  конденсатора  и  сжатой пружины [4]:

Из   (15)  уравнения  вытекает  формула описывающая колебание заряда и соответствующее  ему    колебание  напряженности  электрического поля:

В  современной  физике  рассматривается  дисперсия  электромагнитной  волны  любой длины,  с  которой она  распространяется  в среде  и  дисперсией  называют  зависимость. Это положение в  учебниках не освещается  и  требует  специального анализа и  методику  изложения.

В настоящее время из нелинейной формы  дисперсионных  соотношений  найдены  новые закономерности распространения  волн. Например,  (20) формула  позволила  найти формулу солитона –  уединенной  волны с большой амплитудой  на поверхности воды. Таким образом, совместное действие дисперсии и нелинейности  приводит к образованию солитона – одного из центральных понятий нелинейной физики. Возможность возникновения  солитона можно  иллюстрировать  качественным анализом  уравнения для волнового процесса, которое получается  добавлением  в простейшее эволюционное уравнение  члена, соответствующего  дисперсии.

Солитоны – это  структурно  устойчивая  уединенная волна распространяющаяся в нелинейной среде, которые ведут себя подобно частицам (частицеподобная волна). При взаимодействии друг  с  другом, другими  возмущениями солитоны не разрушаются, а расходятся, сохраняя свою  структуру неизменной. Примерами солитонов являются  циклоны, антициклоны, импульсы передаваемые посредством нервных волокон, ядерные резонансные частицы с очень коротким временем жизни и т.д. [2].

Понятие солитона тесно связано с  широко  применяемыми в современной  физике, понятием квазичастица и является его аналогом в нелинейной среде. Нелинейное дисперсионное соотношение позволяет рассмотреть по аналогии с фотоном множество квазичастиц для различных сред.

Квазичастица это элементарные возмущения, вихри, частицеподобные сгустки волн. Причина возникновения квазичастиц  это распространение импульса (механических, электромагнитных и т.д.) различной природы.  По определению квазичастица всегда находится в движении. Каждой среде соответствует своя квазичастица: в воде – турбон; в плазме – плазмон; в твердом теле – фонон; в магнитной среде – магнон; в полупроводнике  – экситон; в   сверхтекущей –  ротон и т.д.

Физические  характеристики квазичастицы определяется  как для фотона. Энергия, импульс, масса  фотона  соответственно можно выразить так:

Для частицы закон сохранения импульса выполняется, а для квазичастицы  не выполняется, так как  при соударениях  волны  могут расходиться, а действительные частицы не делятся.

Понятие квазичастицы объясняет многие сложные явления как сверхпроводимость, сверхтекучесть [3]. Формулы  (22)  позволили глубже понять природу самого фотона. Определение данное фотону в учебниках как объекту обладающим свойством как частицы  так и волны  (квант электромагнитного поля) является сложным для усвоения  учащимися.  Для фотона слово  “частица” не имеет смысла: он не имеет  массу  покоя; не  имеет заряд; его время жизни в веществе неизвестно и т.д.

Если примем фотон  как квазичастицу движущийся в физическом вакууме с постоянной скоростью, то все  перечисленные выше методические трудности отпадут сами собой. Физический вакуум для фотона есть мировое пространство имеющее  электронно-позитронную структуру. Это  утверждение  основа  квантовой  электродинамики. Отсюда  фотон квазичастица особой среды.

Список литературы:

  1. Акоста В., Кован К., Грэм Б. Основы современной физики. – М . : Просвешение, 1981. – 495 с.
  1. Жанабаев З. Ж., Ильясов Н. Физиканы оқыту теориясы және әдістемесі. Алматы : Полиграфия сервис и К, 2006, — 169 бет.
  2. Жанабаев З. Ж., Мукушев Б. А. Синергетика в педагогике. Алматы : 2002, -128 бет.
  1. Калашников С. Л. Электричество. М. : Наука, 1977. – 595 с.
  2. Матвеев А. Н. Электричество и магнетизм. М. : Высшая школа, – 463 с.
    ПРОБЛЕМЫ ФОРМИРОВАНИЯ НЕКОТОРЫХ ПОНЯТИЙ КУРСА «ЭЛЕКТРИЧЕСТВО» НА ОСНОВЕ НЕЛИНЕЙНОЙ ФИЗИКИ
    Нелинейность – это основное свойство любого физического (природного) явления. Следовательно, идея нелинейности в процессе изучения физики должна занимать особое место. Статья посвящена изучению этого вопроса. В частности, явление дисперсии электромагнитной волны в материальной среде позволяет введение понятия «солитон». Оно тесно связано с широко применяемым в современной физике понятием квазичастица и является её аналогом в нелинейной среде. Рассмотрение фотона как квазичастицу, движущуюся со скоростью света в физическом вакууме, позволяет снять многие трудности научно-методического характера.
    Written by: Ильясов Низзан, Есенова Мария Ибрашевна
    Published by: БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА
    Date Published: 01/24/2017
    Edition: ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_31.10.15_10(19)
    Available in: Ebook