Големите експерименти във физиката

[Doris]

Скоро трябваше да преведа за доклад по физика един материал за опита на Толмен с любопитни технически подробности за провеждането на експеримента .

Това ме накара да се замисля колко забележителни са големите експерименти във физиката , тези, с които са открити нови явления и закони или са измерени фундаментални физични константи. Тъй като и без това се потрудих за този превод, ще го сложа тук за да е полезен и на други, а може и да бъде допълнен с информация и за други големи експерименти.

В българските учебници опитът на Толмен е даден доста схематично, по ето такъв начин:

http://eltok.hit.bg/...a%20Tolmen.html

http://nature.uni-pl...ds/temi/V25.pdf

Тук обаче има доста повече подробности:

http://phys.bspu.uni...lektr/lek12.pdf

Природа на електрическия ток в металите

( Опит на Толмен )

За изясняване на природата на носителите на тока в металите още в началото на миналия век са направени редица опити .

Пръв е опитът на немския физик Виктор Едуард Рике (1845–1915), който той направил през 1901 г. Два медни и един алуминиев цилиндри с грижливо шлифовани повърхности били поставени един върху друг . През тях в продължение на една година протичал електрически ток. По замисъла на автора, ако електрическия заряд се пренася от атоми, то масата на цилиндрите ще се измени. Но претеглянето показало, че масата на цилиндрите не се е изменила, въпреки, че за една година през тях протекъл заряд 3,5·10⁶ C.

Изводът от този опит е: преностът на заряди в металите се осъществява от някакви частици, които влизат в състава на всички метали . Такава частица би могъл да бъде вече открития по това време (1897 г., У. Томсон), електрон.

За доказателство на това, че носители на електрическите заряди в металите са електроните служи опита, направен в 1916 г. от американските физици Ричард Чейс Толмен (1881–1948) и Стюарт.

Идеята за опита подсказал Х.А. Лоренц (1853–1928). Ако в металите съществуват свободни заряди, притежаващи маса, те би трябвало да се подчиняват на закона за инерцията. При внезапно спиране на бързодвижещ се проводник спират всички негови атоми, а свободните заряди ще продължат да се движат още известно време. В резултат в проводника ще се появи токов импулс, който може да се регистрира (рис. 12.1).

Схемата на опита на Стюарт и Толмен е показана на рис. 12.2. Намотка от жица с голям брой навивки е била приведена в бързо въртене около своята ос с линейна скорост на въртене 300 м/с. Краищата на намотката били съединени с чувствителен галванометър чрез дълги гъвкави проводници. Магнитното поле на Земята било компенсирано с помощта на специални неподвижни електромагнити. Дължината на проводниците в намотката била 500 м.

След рязкото спиране на намотката стрелката на галванометъра се отклонявала. По посоката на отклоняването на стрелката било установено, че носителите на тока в металите са отрицателно заредени.

За пресмятане на отношението на големината на заряда към масата на неговите носители били използвани следните зависимости:

Нека в процеса на забавяне за време dt кинетичната енергия на един носител да се намалява с големина dw_к . Тъй като

w = mu² /2,

където m – масата на носителя; u – линейната скорост на движение на проводника, то

dw_к = mudu ;

намаляването на кинетичната енергия на всички носители на заряди в проводника е

dW_к = Ndw_к = Nmudu = nSlmudu ,

където N – брой на носителите на заряди в проводника, n – концентрация (брой на носителите на заряди в единица обем) на носителите на заряди в проводника,

S – площ на напречното сечение на проводника, l – дължина на проводника;

за същото време в проводника се отделя топлинна енергия, която съгласно закона на Джаул-Ленц е

dW_Q = i²Rdt = iRidt = iRdq = jSRdq = enuSRdq ,

където i – моментно значение на тока, R – съпротивление на проводника, dq – измерения заряд, протекъл в проводника за време dt, j = enu – плътност на тока в проводника съгласно, e – заряд на носителя, u – скорост на насочено движение на носителя на заряда (в дадения случай скорост на движение на проводника);

според закона за запазване на енергията

-dW_к = dW_Q ,

или

-nSlmudu = enuSRdq

От където:

dq=-( lm/eR)du

Последният израз се интегрира като се вземе предвид, че скоростта на въртене на намотката се променя от u до 0, а протеклият заряд - от 0 до значение

q. В крайна сметка се получава:

q=mlu/eR

.От където за специфичния заряд се получава:

e/m=l u/qR

Всички величини в дясната част на последното уравнение се определят непосредствено от опита. Така бил намерен специфичния заряд на електрона . Стюарт и Толмен направили своите изследвания, използвайки в опитите проводници от мед, сребро и алуминий. Пресмятането на отношението на големината на заряда към масата на неговия носител дало следните резултати:

е/m= 1,6 10¹¹ C /kg за медта,

е/m= 1,49 10¹¹ C/kg за среброто и

е/m= 1,54 10¹¹ C/kg за алуминий.

Опити, подобни на опита на Стюард и Толмен са провеждани през 1913 г. в Страсбург от руските учени Л.И. Мандельштам (1879–1944) и Н.Д. Папалекси (1880–1947). Но те не успели да завършат изследванията си заради започването на Първата световна война.

Тези експерименти обосновават класическата теория на електропроводимостта на металите. Основите й били разработени от немския физик П.Друде (1863–1906), а по-късно усъвършенствани и допълнени от Лоренц. Съгласно тази теория атомите в металите са частично разделени на електрони и положителни йони, които се намират във възлите на кристалната решетка, от която се състои твърдия метал. В повечето случаи броят на свободните електрони съответства на броя на атомите в метала, тоест концентрацията на свободните електрони в метала е n »10²⁸ -10²⁹m^–3, като се смята, че всеки атом отдава по един електрон. Електроните могат свободно да се преместват в кристалната решетка. В отсъствието на външно поле те извършват безпорядъчно топлинно движение. И Друде, и Лоренц предложили свободните електрони да се разглеждат като някакъв газ, който се подчинява на законите на идеалния газ. Само че за разлика от молекулите на идеалния газ, които се удрят помежду си, електроните се удрят с йоните на кристалната решетка . При прилагането на външно електрическо поле върху хаотичното движение на електроните се наслагва и насоченото движение в направление на полето. Теорията на Друде-Лоренц обяснява основните закони на протичането на електрически ток в проводници.

Редактирано Януари 23, 2011 от Б.Богданов
Корекция на формули

[Б.Богданов]

Поздравления за предоставените материали и интересната тема!

Редактирано Януари 22, 2011 от Б.Богданов

[Aspandiat]

Нищо не разбирам от тези пущини, но от мен плюсче (ментичка).

[Шпага]

Поздравления и от мен за интересната тема! А също и повод да изразя уважението си към Дорис

[Зитко]

Дорис, опитвам се да разбера как от равенството -nSlmdu=enuSRdq се получава dq=-(lR/eR)du

Аз, съкращавайки nS от двете страни на първото равенство, получавам

-lmdu = euRdq ,

откъдето с прости преобразования се получава

dq=-(lm/eR)(1/u)du

С други думи, в (lR/eR) по невнимание си написала R в числителя, вместо m, но къде изчезва u? Наличието на това u доста променя нещата,защото вече имаме интерграл от du/u,а функцията 1/u има точка напрекъсване при u=0 и съответо интегралът от du/u в интервала [u,0] се явява несобствен интеграл от втори род,който е разходящ,тоест клони към безкрайност

Явно си се предоверила на тази лекция 12, която си прикачила, авторът й е допуснал шокираща принципна грешка, ще ми е интересно дали някой тук ще се сети коя е тази грешка, аз засега ще мълча и ше гледам сеир

Междувременно прикачвам извадка от реномиран учебник с правилната теоретична постановка на опита

А целият учебник може да се свали тук:

http://rapidshare.com/files/444030686/Matveev_Elektricgestvo_i_magnetizm.djvu

Редактирано Януари 23, 2011 от Зитко

[Doris]

За доклада на моята десетокласничка Формулите не бяха нужни, така че наистина много не им обърнах внимание. Интересуваха ни по-скоро технически подробности - как е проведен експеримента, размери, материали, уреди, получени резултати. Как едни успявят да получат резултати, а други не.Да, има нещо нередно във формулите, благодаря за поправките. Ще ги разгледам и ще изпратя на модератора промени.

[Doris]

Явно си се предоверила на тази лекция 12, която си прикачила, авторът й е допуснал шокираща принципна грешка, ще ми е интересно дали някой тук ще се сети коя е тази грешка, аз засега ще мълча и ше гледам сеир

Статията е добра и принципно е вярна.

Ако се проследят формулите (dWк = nSlmudu , dW_Q = enuSRdq, dWк =dW_Q )се вижда, че има изпусната буква в:

-nSlmdu = enuSRdq

трябва да бъде:

-nSlmudu = enuSRdq

И

dq=-( lR/eR)du

трябва да се поправи на:

dq=-( lm/eR)du

Редактирано Януари 23, 2011 от Doris

[Б.Богданов]

***

Междувременно прикачвам извадка от реномиран учебник с правилната теоретична постановка на опита

А целият учебник може да се свали тук:

http://rapidshare.co..._magnetizm.djvu

Този материал изисква математически познания доста над изучаваното в средните общообразователни училища.

Редактирано Януари 23, 2011 от Б.Богданов

[Зитко]

Статията е добра и принципно е вярна.

За съжаление не е - принципната грешка е в в равенството -dWк = dWQ, според което излиза, че цялата кинетична енергия на електроните се превръща в топлинна.Но от електродинамиката знаем, че всеки заряд, който се движи с ускорение, излъчва електромагнитни вълни, така че една част от кинетичната енергия на електроните се превръща и в енергия на създаваното от тях електромагнитно поле.Между другото, точно това е аргументът, с който се отхвърля планетарния модел на атома, предложен от Ръдърфорд, защото електроните, ако наистина обикалят около ядрото, ще излъчват електромагнитни вълни, в резултат на което кинетичната им енергия ще намалява и накрая ще "паднат" върху ядрото.

[Doris]

За съжаление не е - принципната грешка е в в равенството -dWк = dWQ, според което излиза, че цялата кинетична енергия на електроните се превръща в топлинна.Но от електродинамиката знаем, че всеки заряд, който се движи с ускорение, излъчва електромагнитни вълни, така че една част от кинетичната енергия на електроните се превръща и в енергия на създаваното от тях електромагнитно поле.Между другото, точно това е аргументът, с който се отхвърля планетарния модел на атома, предложен от Ръдърфорд, защото електроните, ако наистина обикалят около ядрото, ще излъчват електромагнитни вълни, в резултат на което кинетичната им енергия ще намалява и накрая ще "паднат" върху ядрото.

Цитираният от теб учебник също стига до извода от статията, само че по малко по-друг път.

За да се свържат величините, характеризиращи частицата - заряд и маса с измерваемите величини - ток, съпротивление... в единия случай се разглежда промяната на скоростта на носителите на заряд като действие на електродвижеща сила за протичане на ток в проводниците със съпротивление R, в другия промяната на кинетичната енергия на носителите на заряд като промяна на енергията на електрическия ток в проводниците със съпротивление R - законът на Ом е в сила и за променлив ток. Няма значение каква част от кинетичната енергия на частиците се отдава на проводниците и какво част се излъчва в околното пространство, общата енергия е тази на тока - I²R .

Моделът на Ръдърфорд е бил заменен от планетарния модел на Бор, който просто въвежда постулат, че електроните не излъчват, когато са на определени орбити и доста успешно успява да опише атома на водорода.

Редактирано Януари 23, 2011 от Doris

[Зитко]

Този материал изисква математически познания доста над изучаваното в средните общообразователни училища.

Да,така си е,някои неща във физиката не може да се обяснят само с умножение и деление, така че трябва да се чете яко в свободното време

[Зитко]

Цитираният от теб учебник също стига до извода от статията, само че по малко по-друг път.

Физиката е твърде сериозна наука и когато я учим, или правим някакви справки, винаги трябва да използваме официални и авторитетни учебници - аз поне не мога да се доверявам безрезервно на всичко,качено в нета. Прикачвам ти извадка от още един популярен учебник, този на Савельев (Курс общей физики,т.II. Електричество).Ти би ли могла да посочиш някое авторитетно издание, в което е представен друг аналитичен подход към опита на Стюарт-Толмен?

Енергетичният подход, представен във въпросната лекция 12, просто не е коректен, защото не отчита енергийните загуби, дължащи се на електромагнитното излъчване на движещите се електроните.

Редактирано Януари 24, 2011 от Зитко

[Doris]

Зитко, лекцията , част която съм превела е също част от официален учебник - на Белоруски университет:

http://phys.bspu.unibel.by/

http://phys.bspu.unibel.by/static/um/phys/elektr/index_lek_elektr.htm

Само че този учебник е по-нов.

Курсът на Савелиев е този, по който аз учех преди около сто години.

Спомням си ,че по онова време учехме и философия, преподаваше ни Иванка Апостолова, която много наблягаше на теорията и практиката на познанието. Тя ни съветваше да прочитаме най-много един учебник, а след това да търсим нови и различни източници на информация, защото учебниците на практика повтарят едно и също от десетилетия.

Хубаво е когато и стари класически неща като опитът на Толмен се представят по малко по- различен начин за разнообразие. Като уравнение резултатът е същия:

Последната формула от лекция12:

e/m=l u/qR

може да се получи като се преобразува формула (69.1) от курса на Савелиев или формула (31.5) от учебника на А.Н Матвеев. Значи и те не отчитат някакви енергийни загуби от електромагнитно излъчване поради ускоряване на заряди. И в двата случая се прилагат основните закони на електричеството, като електродвижещата сила не е от приложено напрежение, а от механично действие.

Тук случващото се не е същото като при модела на Ръдърфорд. Няма сила, която да ускорява електроните и да ги кара да излъчват. Ускорението (забавянето) е приложено върху макарата. По времето на това забавяне се появяват електрони с относителни скорости спрямо йоните на проводника в диапазона от V₀= 300 m/s до 0 m/s, а не електрони, скоростта на всеки от които намалява от 300 m/s до 0 m/s, има съществена разлика. Какво се случва с тези електрони - същото, което се случва с електроните, задвижени от обикновен източник на напрежение. Енергията, свързана с дрейфовата им скорост постепенно се отдава на Йоните от метала чрез удари. Проводникът се загрява, част от топлината се излъчва и в околното пространство. Тоест, в сила са законът на Ом и законът на Джаул-Ленц.

Редактирано Януари 24, 2011 от Doris

[Б.Богданов]

Да,така си е,някои неща във физиката не може да се обяснят само с умножение и деление, така че трябва да се чете яко в свободното време

Напълно съм съгласен с това твърдение! И това се отнася не само за физиката.

Придобиване на качествено и количествено знание във всяка една област на науката изисква яко четене. Спор просто не може и да има!

Този доклад е предназначен за аудитория от ученици от десети клас.

В десети клас изучаваният материал по физика е само начално въведение в тази наука. Опитната постановка и обяснението на наблюдаваните явления трябва да бъдат съобразени с нивото на знания по математика.

Провеждането на опити трябва да провокира интерес у учениците към природните науки.

Това имах предвид, като писах, че сканираните страници от Зитко не са подходящи за ученици от средните общообразователните училища.

Но за студенти изучаващи физика е задължително да притежават знания по математика необходими за разбиране на публикуваните формулите. Не напразно в СУ "Св. Кл. Охридски" студентите от физическия факултет изучават ММФ.

Поздрави Б.Б.

Редактирано Януари 24, 2011 от Б.Богданов

[Малоум 2]

Ето тук има нещо интерестно, струва ми се:

при Галилей

Може да се "подмени" скорост с бързина на изменение - "честота", което, мисля, се прави при вълновите процеси, неявно. Дали пък не е по-правилният матмодел?

...

[Doris]

Да, статията за Галилей е интересна.

Малко трудно е да замениш скорост с честота, все пак честотата се отнася за периодични процеси.

[Doris]

Обичайно хората си представят експериментитте на Галилей по този начин:

В статията, която намери Малоум2 е цитирано съчинението на Галилей -"Беседи и математически доказателства относно две нови науки"

http://galileoandeinstein.physics.virginia.edu/tns244.htm

Тук може да се види аналитичния подход по отношение на експеримента - разделянето на движението на хоризонтална и вертикална компонента, което е потвърждение на твърдението, че всъщност експериментите са правени с наклонени равнини:

Един от най-известните разкази за Галилей описва как той пуска топки с различна маса от Наклонената кула в Пиза, за да демонстрира, че времето, за което падат, не зависи от масата им. Макар че тази история се появява в негова биография, писана от ученика му Винченцо Вивиани, днес тя обикновено се смята за измислена. Всъщност Галилей прави опити с топки, търкалящи се по наклонена равнина, с което демонстрира същото явление - ускорението не зависи от масата. Макар този факт да противоречи на широко приетата по онова време теория на Аристотел, Галилей не е първият, достигнал до този извод. Независимостта на ускорението при падане и масата е описана още от Йоан Филопон през 6 век, а същото твърди и Джанбатиста Бенедети, съвременник на бащата на Галилей.

http://bg.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%B0%D0%BB%D0%B8%D0%BB%D0%B5%D0%BE_%D0%93%D0%B0%D0%BB%D0%B8%D0%BB%D0%B5%D0%B9

[kill_u]

Има ли някъде, подробно обяснение на експеримента на Айнщайн с който доказва неговата теория за гравитационното поле. Единственото, което съм чул е че той и още два екипа са наблюдавали слънчево затъмнение, по време на което светлината от една звезда се е отклонила с около 2 градуса минавайки покрай слънцето.

[Doris]

Има.

Експедициите за наблюдаване на слънчевото затъмнение през 1919 г. са описани доста подробно в книгата "Айнщайн - живот, смърт, безсмъртие" на Б.Кузнецов

http://www.gramotey.com/books/1269074888.htm

Самият Айнщайн описва резултатите. Могат да се намерят в "Специална и обща теория на относителността (общодостъпно изложение)"

...За един лъч светлина, който преминава покрай слънцето на разстояние Δ от неговия център, ъгълът на отклонението α ще бъде:

α=1,7 секунди/Δ

Може да се добави, че съгласно тази теория половината от това отклонение се предизвиква от нютоновото гравитационно поле на Слънцето, а другата половина - от геометричното изкривяване на пространството , предизвикано от Слънцето.

.....

За изследването на този важен извод ние сме задължени на Кралското дружество и на Кралското астрономическо дружество. Независимо от войната и предизвиканите от нея трудности от материален и психологически характер тези дружества организираха две експедиции - едната в Собрал (Бразилия), а другата - на о. Принсипи ( крайбрежието на Западна Африка) , и изпратиха няколко знаменити английски астрономи (Едингтън, Котиген, Кромлин и Дейвидсън), за да фотографират слънчевото затъмнение на 29 май 1919 г. Очакваното относително изместване на положението на звездите върху снимките на слънчевото затъмнение в сравнение с контролните снимки достигаше само няколко стотни части от милиметъра, така че при фотографирането и при следващите измервания бе необходима висока точност. Резултатите от тези измервания твърде удовлетворително потвърдиха теорията. Правоъгълните съставящи на наблюдаваните и пресметнатите отклонения на звездите (в ъглови секунди) са дадени на таблица 1

---------------------------------------------------------------------------------------------

..........................Първа координата....................Втора координата

номер......-------------------------------------------------------------------------------

на.................наблюдаема....изчислена............наблюдаема....изчислена

звездата.........стойност........стойност................стойност..........стойност

-------------------------------------------------------------------------------------------

11..............................-0,19.........-0,22....................+0,16.................+0,02

5...............................+0,29.........+0,31....................-0,46.................-0,43

4...............................+0,11.........+0,10....................+0,83.................+0,74

3...............................+0,20.........+0,12....................+1,00.................+0,87

(и т.н.)

Редактирано 10, 2011 от Doris

[Skubi]

Обичайно хората си представят експериментитте на Галилей по този начин:

В статията, която намери Малоум2 е цитирано съчинението на Галилей -"Беседи и математически доказателства относно две нови науки"

http://galileoandein....edu/tns244.htm

Тук може да се види аналитичния подход по отношение на експеримента - разделянето на движението на хоризонтална и вертикална компонента, което е потвърждение на твърдението, че всъщност експериментите са правени с наклонени равнини:

И го повториха на Луната

:post-70473-1124971712:

Редактирано 11, 2011 от Б.Богданов

[Doris]

И го повториха на Луната

Тъй като на Луната силата на тежестта е 6 пъти по-слаба, предметите би трябвало да падат за 2,5 пъти повече време, ако падат от еднаква височина.

(В горния ми пост в цитата на Айнщайн Δ е измерено в земни радиуси )

Редактирано 11, 2011 от Doris

[scaner]

Може да се "подмени" скорост с бързина на изменение - "честота", което, мисля, се прави при вълновите процеси, неявно.

Бъркаш. Скорост и честота нямат нищо общо.

[Малоум 2]

Бъркаш. Скорост и честота нямат нищо общо.

Здрасти! Добре дошъл.

Е, не говоря за да противореча нито на Дорис нито на горното от теб.

Но си запазвам правото на мислене, че и скоростта, и честотата са: бързина на изменение на ... нещо. Тоест - ИМАТ нещо общо.

Ако си прочел линка с Галилей, повод за моето предположение - това коментирах.

Скоростта е изменение на пътя за интервал време (ако време и пространство са разграничими).

Честотата е броят на повтарящите се изменения за единица време (неразграничими - няма интервал време).

Моментната скорост се "приравнява" формално към честота - интервал време клони към нула; можем да го приемем за "единица време". И става възможна представата, че за единица време имаме равни "забавяния-забързвания" (ускорителни движения, на тласъци) при равномерно движение с постоянна скорост - тук понятието постоянна е в смисъл на средно, което наблюдаваме. Моментните скорости са на тласъци, а средната скорост е на равномерно праволинейно движение - това обобщено виждаме.

...

[scaner]

Но си запазвам правото на мислене, че и скоростта, и честотата са: бързина на изменение на ... нещо. Тоест - ИМАТ нещо общо.

В този смисъл и ускорението е бързина на изменение - на скоростта. Но между скорост и ускорение има огромна разлика. Така че вкарването на всичко в един кюп, поради някакви силно повърхностни прилики е вредно.

Честотата е броят на повтарящите се изменения за единица време (неразграничими - няма интервал време).

Противоречиш си в рамките на едно изречение - двете подчертани части. Единица време е произволен интервал, зададен като еталонен, той не е НЯМАНЕ на интервал.

Моментната скорост се "приравнява" формално към честота - интервал време клони към нула; можем да го приемем за "единица време".

Това показва липса на основни познания по това за което се опитваш да говориш. Едно бъркаш за честотата, второ бъркаш за моментната скорост.

[Малоум 2]

В този смисъл и ускорението е бързина на изменение - на скоростта. Но между скорост и ускорение има огромна разлика. Така че вкарването на всичко в един кюп, поради някакви силно повърхностни прилики е вредно.

Не е чак толкова вредно. Лесно се установява, че равномерното праволинейно движение е ИЛЮЗИЯ на обобщено наблюдение, т.е., гледаме бавно в сравнение с бързината на възможните изменения (СТО е хипотеза с ограничено приложение именно в рамките на тая илюзия).

Остават, в детайли - само ускорителни движения.

Понятието за "сила" се запазва при всички възможни движения. Затова става важно и понятието за "импулс" да се представя като "сила по време" а не само като "маса по скорост" където "скорост" е нещо илюзорно.

Преглед на мнение Малоум 2, на 04 март 2011 - 05:29 , каза:

Честотата е броят на повтарящите се изменения за единица време (неразграничими - няма интервал време).

Противоречиш си в рамките на едно изречение - двете подчертани части. Единица време е произволен интервал, зададен като еталонен, той не е НЯМАНЕ на интервал.

Не се е схванал контекста в който го казвам: различни са дименсиите за "скорост" и "честота". Вината е моя, щото не съм споменал, че при честота, имам предвид вълни. При честота, броят на повтарящите се изменения вече е фиксиран в дължина на вълната (постоянна е скоростта на вълните за средата). Без значение става понятието за интервал време, а при Свак даже понятие за време - няма. Нулево е, не съществува като възможен параметър сам за себе си.

...