лекцмя. Источники физических полей
 Скачать 302.61 Kb.
|
|
ИСТОЧНИКИ ФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ 1.ФИЗИЧЕСКОЕ ПОЛЕ 1.1. Понятие физического поля ▲При рассмотрении многих явлений наряду с понятием вещества вводится понятие физического поля: электрическое поле, магнитное поле, электромагнитное поле, тепловое поле, радиационное поле и др. Иными словами предполагается, что возможны две формы существования материи: вещество и поле. ▲Под физическим полем понимают особую форму материи в каждой точке окружающего пространства, проявляющуюся в воздействии на частицы или тела, помещенные в какую-либо область этого пространства. ▲В самом широком смысле любую физическую величину, плавно меняющуюся в пространстве и однозначно определенную во всех его точках, можно рассматривать как физическое поле. ▲При измерении величины любого вида физического поля на плоскости или в объеме в каждой точке этого поля должна получаться однозначная величина. Не должно быть скачков в значениях физических величин в двух соседних точках, находящихся на сколь угодно малых расстояниях друг от друга. В плавном изменении свойств пространства и заключается главная особенность физического поля. 1.2. Математическое представление физических полей ▲Методы анализа физических полей основаны на установлении и исследовании связей между величинами, характеризующими поля, и причинами, возмущающими или порождающими эти поля. ▲Эти связи принимают наиболее простой и общий вид, когда они устанавливаются для очень малых областей, теоретически для точечных. В этих случаях они называются дифференциальными законами и описываются в виде дифференциальных уравнений в частных производных. Тогда, основные связи оказываются одинаковыми по форме для различных полей и описываются на языке пространственных и временных производных. ▲По своему характеру все физические величины делятся на скалярные, векторные и тензорные. Их поля соответственно называются скалярными, векторными или тензорными. ▲Скалярные поля полностью определяются заданием их численной величины, выраженной в некоторой системе единиц, например поля температуры, атмосферного давления, плотности воздуха, электрического потенциала и др. ▲Векторные физические поля, дополнительно к их численной величине, характеризуются направлением. К ним относятся поля силы тяжести, скоростей частиц, магнитной индукции, плотности электрического тока и др. ▲ Тензорные физические поля характеризуются зависимостью их численной величины от направления в одной и той же материальной среде, например, упругие напряжения в твердом теле и др. ▲При анализе физических полей для получения общих результатов всякому полю ставится в соответствие его математическая модель, в которой абстрагируются от заданной физической величины, заменяя ее математическим понятием функции. Анализируемой точке пространства приписывают координаты, считая их аргументами. ▲Математическим аппаратом, в наибольшей степени соответствующим изучаемым в теории полей явлениям, служат векторная алгебра, векторный анализ. ▲Физические величины скалярные, векторные и тензорные являются характеристиками материи или ее проявлений. В общем случае они зависят от координат и времени: а = f(x,y,z,t), a =f(x,y,z,t), aT =fT(x,y,z,t), где f -символ функциональной зависимости, x,y,z -пространственные координаты точки наблюдения, т. е. точки пространства, в которой рассматриваются величины а (скаляр), а (вектор) , aT (тензор), t – время. ▲В случае, когда пространственные координаты фиксированы, имеют дело с величинами, являющимися функцией только одной независимой переменной, времени t. Соответствующие физические поля называются нестационарными или переменными. Поля, не зависящие от времени, называются стационарными, постоянными или статическими. ▲Значения физических величин не зависят от выбора системы координат и их преобразованиях. Такие величины называются инвариантами. Примером инвариантов являются объем тела, его заряд, запас энергии и т. д. 1.3. Развитие понятие поля ▲Несмотря на то, что вещество и физическое поле являются различными формами существования материи, их свойства сходны во многих отношениях. Это особенно удобно проследить на примере электромагнитного поля (электромагнитных волн). ●Вещество состоит из отдельных частиц: молекул, атомов, элементарных частиц (протонов, нейтронов, электронов). Распространяющееся электромагнитное поле можно рассматривать как поток дискретных частиц -фотонов (квантов). ●Электромагнитное поле также, как и вещество, характеризуется энергией, массой и импульсом. В отличие от вещества электромагнитное поле не обладает массой покоя. ●Электромагнитные волны, как и вещество, испытывают действие гравитационного притяжения. Известно, что траектория движения световых волн заметно искривляется под влиянием гравитационных сил больших масс вещества, например Солнца. ●Импульс электромагнитных волн проявляется в давлении, которое оно оказывает на материальные тела. ●Такие, характерные для электромагнитного поля свойства, как дифракция и интерференция, присущи также и материальным частицам. Известны, например, явления дифракции и интерференции электронов. ● Энергия электромагнитного поля может переходить в другие вида энергии, энергия солнечных лучей переходит в электрическую, тепловую, химическую и др. виды энергии. ●При взаимодействии электромагнитного поля фотона с веществом может произойти особый эффект – рождение материальных частиц-электрона и позитрона, т. е. поле превращается в вещество. И наоборот, при аннигиляции электрона и позитрона рождаются гамма-кванты, т. е. вещество преобразуется в поле. Вывод 1. Таким образом, по современным представлениям физические процессы можно интерпретировать либо в терминах корпускул (вещества), либо в терминах волн (поля). Не в наших силах доказать, что в каком-то конкретном случае мы имеем дело именно с волной, а не с частицей, или, наоборот, с частицей, а не с волной. Вывод 2. Можно утверждать, что и к волновому, и к корпускулярному описанию следует относиться как к равноправным и дополняющим друг друга, точкам зрения на один и тот же объективный процесс, который лишь в каких-то предельных случаях допускает адекватную наглядную интерпретацию. Вывод 3. Рубеж, разделяющий две эти концепции-волн и частиц (квантово-волновой дуализм), определяется ограниченными возможностями измерений. Важной особенностью полевой формы материи является то, что она может существовать и проявляться независимо вдали от создавших ее источников. Вывод 4. Одним из важнейших источников физических полей, используемых в технике, науке и медицине, является электромагнитное поле, имеющее огромную протяженность по энергии квантов, соответствующих различным видам излучений и механизмам их взаимодействия с веществом. ▲ В качестве примеров, иллюстрирующих положения, сформулированные выводе 4, на Рис.П1 приведена шкала электромагнитных волн в зависимости от частоты ν или длины волны λ, а также несколько видов электромагнитных волн в зависимости от способа (источников) их получения.  Рис.П1 ▲На Рис. П2 приведены виды электромагнитных излучений и степень прозрачности человеческого организма с поперечным сечением 20-25см для различных длин волн и соответствующих им энергий квантов.  Рис.П2 ▲В таблицах В1-В3 приведены примеры механизмов рождения излучений их действие на объекты живой и неживой природы, эффекты облучений, применение в медицине для диагностики, терапии и хирургии в зависимости от энергии квантов видов электромагнитных полей.     Е (эВ) = 1240/λ(нм)Е – энергия кванта в электрон-вольтах, λ – длина волны в нанометрах Диапазон изменения энергии гамма-квантов от 10-10 более чем 109 эВ. Домашнее задание (частично по данным таблиц): 1.Принцип дистанционного измерения температуры человека? 2.Лабораторная работа дома: струя воды, пластмассовая расческа, траектория падения.  Лекция N1 |