Введение
В моей практике преподавания физики наиболее удачным, как мне кажется, являются примеры уроков, в которых детям приходится самим побывать в роли исследователя, размышлять, предполагать, фантазировать и затем проверять свои идеи. Важным преимуществом естественных наук и, в частности, физики, является возможность экспериментальной проверки и применения полученных знаний. В работе предлагается проблемное задание, в результате которого вводится новое понятие - плотность тела. Затем ученики применяют понятие плотности тела для решения практических задач.
Цель:
изучение и первичное закрепление новых знаний.
Ученики изучат новую физическую величину, определят плотность твердого тела на практике. Ученики будут применять понятие плотности для решения простых и проблемных задач.
(Тема рассчитана на два урока по 45 минут)
Урок 1.
Царь Гиерон (250 лет до н.э.) поручил мастеру изготовить корону из одного слитка чистого золота. (Приложение 1)
Вам поручили проверить честность мастера, изготовившего золотую корону. В вашем распоряжении корона и слиток золота, такой же какой был выдан мастеру. Как узнать, не заменил ли мастер часть золота дешевым металлом, например железом или медью?
Какие физические величины надо измерить, чтобы ответить на вопрос:
Большинство детей сразу догадываются, что надо сравнить массы короны и слитка, например, с помощью рычажных весов. Скорее всего, даже если мастер схитрил, то вместо золота добавлен другой металл и масса короны будет совпадать с массой выданного слитка. Что же еще надо проверить? Здесь поможет следующая подсказка: на рычажные весы положить два тела одинаковой массы и желательно формы, но из разного материала (например, стальной и алюминиевый цилиндры). Дети видят, что второй величиной для сравнения является объём.
Делаем вывод: если не только массы, но и объём короны и объём слитка совпадают, то мастер честно выполнил работу.
Обсуждаем измерение объёма тел сложной формы и рассказываем об Архимеде и его открытии.
А теперь усложним задание! Как же быть, если уже нет такого же слитка, как тот, из которого была изготовлена корона, ну а царь не догадался заранее измерить его массу и объём? Теперь в Вашем распоряжении корона и небольшой слиток чистого золота (или, к примеру, монета), как ответить на тот же вопрос:
ЕСТЬ ЛИ ПРИМЕСИ ДРУГИХ МЕТАЛЛОВ В ЗОЛОТОЙ КОРОНЕ?
Подсказка:
Существует физическая величина, характеризующая вещество, из которого состоят различные тела. Эта величина является одинаковой для всех предметов из одного и того же вещества. Например, для золотого слитка, короны, монеты, кольца или цепочки.
КАКАЯ ЭТО ВЕЛИЧИНА?
В качестве подсказки можно предложить составить такую величину из уже названных детьми массы и объема тел. В некоторых случаях полезно рассмотреть все возможные комбинации с использованием операций сложения, вычитания, умножения, деления. Таким образом, рассматриваем бессмысленность вариантов m-V, m+V. Вариант mхV не подходит, так как данная величина для короны будет больше, чем для монетки. Остаются правильные варианты m:V и V:m, один из этих вариантов и получил название - плотность.
Плотность - это физическая величина, которая равна отношению массы тела к его объему.
Плотность твердых тел (г/см³ или 1000 кг/м³)
Алюминий |
||||
Береза (сухая) |
||||
Песок (сухой) |
||||
Дуб (сухой) |
||||
Ель (сухая) |
||||
Железо, сталь |
||||
Сосна (сухая) |
||||
Плотность золота r = 19,3 г/см³ , то есть в одном кубическом сантиметре содержится 19,3 граммов данного вещества.
Плотность показывает, чему равна масса единицы объема данного вещества.
Работа с таблицей позволяет обсудить количественно, какие материалы наиболее плотные, какие менее плотные. В учебниках и задачниках обычно есть плотности жидкостей и газов. Для запоминания наиболее важным является плотность чистой воды 1 г/см³ или 1000 кг/м³. Обратите внимание на то, что плотность льда меньше плотности воды, что является одним из удивительных свойств воды, определившим отчасти облик нашей планеты и возможность выживания обитателей водоёмов в зимнее время.
Как же использовать имеющийся справочный материал?
Для отработки применения знаний о плотности твёрдых тел предлагается практическая работа с набором тел одинакового объёма, но разной массы. Выполняя её, ребята определяют плотность тела, находят по таблице ближайшее к полученной величине значение и таким образом определяют из какого вещества сделано тело.
Первое тело можно выдать всем одинаковое и вместе с классом разобрать определение вещества, заполнив первую строчку таблицы.
Затем выдаются остальные тела и дети, работая в парах, определяют названия веществ.
Практическая работа «Определение плотности вещества твердого тела»
Цель работы: научиться определять плотность твёрдого тела и пользуясь справочными данными выяснить вещество, из которого оно изготовлено.
Приборы и материалы:линейка (штангенциркуль), весы, калькулятор, набор тел одинакового объёма, изготовленных из разных веществ.
|
V = |
b= | c= |  |
- Измерьте размеры тела, вычислите его объем (не забывайте писать размерность величин).
- Измерьте массу тела на весах. Результаты запишите в таблицу.
- Рассчитайте плотность тела по формуле
4. Пользуясь справочными данными, определите вещество, из которого состоит тело, и внесите в таблицу его плотность и название.
Масса тела |
Объем тела |
Плотность вещества |
Г/см³ |
Название вещества |
|
Заключение.
_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
В конце урока даётся название вещества для каждого тела (крупно напечатанную таблицу размещаем на доске) и дети проводят взаимную оценку, обменявшись рабочими листами. Обсуждаем, почему есть небольшое отличие найденных плотностей от табличных значений (погрешность определения объёма, массы тела; влияние температуры тела на плотность).
Урок 2.
Исследовательская работа.«Определение плотности твердого тела. Есть ли внутри тела воздушная полость или уплотнение?»
Для данной работы каждой группе (паре учеников) выдаётся два тела. Одно из тел является «эталонным», то есть оно не имеет ни воздушной полости, ни уплотнения. Именно сравнивая плотность второго тела с «эталонным», ученики и отвечают на поставленный вопрос.
Цель работы
:___________________________________________________________
_______________________________________________________________________
Приборы и материалы
: __________________________________________________
_______________________________________________________________________
Гипотеза
: ______________________________________________________________
_______________________________________________________________________
Для двух тел выполните следующее действия и заполните таблицу.
1. Измерьте массу тела на весах.
2. Измерьте размеры тела, вычислите его объем.
3. Рассчитайте плотность тела
Сделайте вывод и объясните его на основе полученных данных:
________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Заключение.
Таблицы .
Оценка и самооценка исследования.
Телами для данной работы являются бруски прямоугольной формы из различных пород древесины. Каждая группа исследует два тела из одинаковой древесины: одно – «эталон», другое – исследуемое. В последнем теле необходимо высверлить отверстие большого диаметра и обклеить картоном так, чтобы грани оставались гладкими. Некоторые полости заполняем металлическими шайбами (можно монетами) и тело также обклеиваем картоном. Таким образом, результаты измерений и ответ на вопрос у каждой группы будет свой, что позволит качественно проверить усвоение темы. При этом размеры брусков желательно выбрать заметно отличающимися друг от друга, тогда гипотеза о том, что же в исследуемом теле, полость или уплотнение, становится просто предположением. Обязательно предупредите детей, что оценка не снижается в том случае, если предположение не подтвердилось. Важно то, что дети учатся сравнивать результаты измерений и вычислений с первоначальным предположением.
В конце работы, ученики могут написать свои комментарии и предложить варианты дальнейшего исследования темы. Кому-то покажется интересным перейти к изучению плотности жидкостей (например, различных напитков), для кого-то вариантом продолжения работы может быть измерение плотности тел сложной формы.
В конце урока записываются три варианта формул, связывающих три величины: массу, объём и плотность тела.
Домашнее задание состоит из нескольких типовых задач по расчёту массы и объёма тела по его плотности.
Творческое задание: составить «задачи из жизни» для одноклассников, при решении которых будут использованы записанные формулы.
(например, найти массу воды в аквариуме объемом 50 литров; найти массу льда, который можно вместить в морозильную камеру объёмом 20 литров; принести упаковку мороженого, на которой указана масса и объём, соответственно найти плотность; задачи на определение материалов, которые можно перевезти в автомобиле с известным объёмом кузова (или багажника) и грузоподъёмностью).
Готовые работы
ДИПЛОМНЫЕ РАБОТЫ
Многое уже позади и теперь ты - выпускник, если, конечно, вовремя напишешь дипломную работу. Но жизнь - такая штука, что только сейчас тебе становится понятно, что, перестав быть студентом, ты потеряешь все студенческие радости, многие из которых, ты так и не попробовал, всё откладывая и откладывая на потом. И теперь, вместо того, чтобы навёрстывать упущенное, ты корпишь над дипломной работой? Есть отличный выход: скачать нужную тебе дипломную работу с нашего сайта - и у тебя мигом появится масса свободного времени!
Дипломные работы успешно защищены в ведущих Университетах РК.
Стоимость работы от 20 000 тенге
КУРСОВЫЕ РАБОТЫ
Курсовой проект - это первая серьезная практическая работа. Именно с написания курсовой начинается подготовка к разработке дипломных проектов. Если студент научиться правильно излагать содержание темы в курсовом проекте и грамотно его оформлять, то в последующем у него не возникнет проблем ни с написанием отчетов, ни с составлением дипломных работ, ни с выполнением других практических заданий. Чтобы оказать помощь студентам в написании этого типа студенческой работы и разъяснить возникающие по ходу ее составления вопросы, собственно говоря, и был создан данный информационный раздел.
Стоимость работы от 2 500 тенге
МАГИСТЕРСКИЕ ДИССЕРТАЦИИ
В настоящее время в высших учебных заведениях Казахстана и стран СНГ очень распространена ступень высшего профессионального образования, которая следует после бакалавриата - магистратура. В магистратуре обучаются с целью получения диплома магистра, признаваемого в большинстве стран мира больше, чем диплом бакалавра, а также признаётся зарубежными работодателями. Итогом обучения в магистратуре является защита магистерской диссертации.
Мы предоставим Вам актуальный аналитический и текстовый материал, в стоимость включены 2 научные статьи и автореферат.
Стоимость работы от 35 000 тенге
ОТЧЕТЫ ПО ПРАКТИКЕ
После прохождения любого типа студенческой практики (учебной, производственной, преддипломной) требуется составить отчёт. Этот документ будет подтверждением практической работы студента и основой формирования оценки за практику. Обычно, чтобы составить отчёт по практике, требуется собрать и проанализировать информацию о предприятии, рассмотреть структуру и распорядок работы организации, в которой проходится практика, составить календарный план и описать свою практическую деятельность.
Мы поможет написать отчёт о прохождении практики с учетом специфики деятельности конкретного предприятия.
Знаете ли Вы, в чем ложность понятия "физический вакуум"?
Физический вакуум - понятие релятивистской квантовой физики, под ним там понимают низшее (основное) энергетическое состояние квантованного поля, обладающее нулевыми импульсом, моментом импульса и другими квантовыми числами. Физическим вакуумом релятивистские теоретики называют полностью лишённое вещества пространство, заполненное неизмеряемым, а значит, лишь воображаемым полем. Такое состояние по мнению релятивистов не является абсолютной пустотой, но пространством, заполненным некими фантомными (виртуальными) частицами. Релятивистская квантовая теория поля утверждает, что, в согласии с принципом неопределённости Гейзенберга, в физическом вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные, то есть кажущиеся (кому кажущиеся?), частицы: происходят так называемые нулевые колебания полей. Виртуальные частицы физического вакуума, а следовательно, он сам, по определению не имеют системы отсчета, так как в противном случае нарушался бы принцип относительности Эйнштейна, на котором основывается теория относительности (то есть стала бы возможной абсолютная система измерения с отсчетом от частиц физического вакуума, что в свою очередь однозначно опровергло бы принцип относительности, на котором постороена СТО). Таким образом, физический вакуум и его частицы не есть элементы физического мира, но лишь элементы теории относительности, которые существуют не в реальном мире, но лишь в релятивистских формулах, нарушая при этом принцип причинности (возникают и исчезают беспричинно), принцип объективности (виртуальные частицы можно считать в зависимсоти от желания теоретика либо существующими, либо не существующими), принцип фактической измеримости (не наблюдаемы, не имеют своей ИСО).
Когда тот или иной физик использует понятие "физический вакуум", он либо не понимает абсурдности этого термина, либо лукавит, являясь скрытым или явным приверженцем релятивистской идеологии.
Понять абсурдность этого понятия легче всего обратившись к истокам его возникновения. Рождено оно было Полем Дираком в 1930-х, когда стало ясно, что отрицание эфира в чистом виде, как это делал великий математик, но посредственный физик , уже нельзя. Слишком много фактов противоречит этому.
Для защиты релятивизма Поль Дирак ввел афизическое и алогичное понятие отрицательной энергии, а затем и существование "моря" двух компенсирующих друг друга энергий в вакууме - положительной и отрицательной, а также "моря" компенсирующих друг друга частиц - виртуальных (то есть кажущихся) электронов и позитронов в вакууме.
Отдел образования Прикубанского внутригородского округа
Городская выставка педагогического мастерства
«Педагогический марафон-2008»
Решение задач повышенного уровня по физике
Подготовка учащихся к ЕГЭ
Кочегорова Тамара Вениаминовна
учитель физики МОУ СОШ №68
Краснодар 2008
|
I. Введение |
|
|
II. Обучение решению задач повышенного уровня |
|
|
2.1 Взаимодействие тел |
|
|
2.1.1 Механическое движение |
|
|
Задачи №1,2 |
|
|
2.1.2 Масса и плотность тел |
|
|
Задачи №3-5 |
|
|
2.2 Давление твёрдых тел, жидкостей и газов |
|
|
2.2.1 Сообщающиеся сосуды. Гидравлический пресс |
|
|
Задачи № 6,7 |
|
|
2.2.2 Архимедова сила. Условия плавания тел |
|
|
Задачи №8-10 |
|
|
2.3 Механическая работа. Мощность. Энергия. Рычаги. Блоки |
|
|
2.3.1 Механическая работа. Мощность. Энергия. |
|
|
Задачи №11-13 |
|
|
2.3.2 Рычаги. Блоки. Момент силы |
|
|
Задачи №14-17 |
|
|
2.4 Тепловые явления. Изменение агрегатных состояний вещества |
|
|
Задачи №18-21 |
|
|
2.5 Электрические явления. Работа, мощность, энергия тока |
|
|
Задачи №22-24 |
|
|
Кинематика материальной точки. Относительность механического движения |
|
|
Задачи №25-28 |
|
|
2.7 Законы сохранения в механике |
|
|
Задачи№29,30 |
|
|
2.8 Оптика |
|
|
2.8.1 Геометрическая оптика |
|
|
Задачи №31,32 |
|
|
2.8.2 Волновая оптика |
|
|
Задача №33 |
|
|
2.9 Квантовая механика |
|
|
Задачи №34-36 |
|
|
3.0 Электродинамика |
|
|
Задачи №37,38 |
|
|
III. Заключение |
|
|
Литература |
Преподавание физики отличается от других предметов разнообразием форм обучения. Это и лекционные занятия, и практические, и лабораторные работы. Отдельным пунктом в обучении физики стоит умение учителя научит учеников решению физических задач.
Задача учителя - физика состоит в том, чтобы научить видеть окружающий мир, окружающие нас явления глазами аналитика, способного выявить взаимосвязь, найти причину и объяснить следствие. Т.е., сформировать у ученика физическое мышление. Для того, чтобы юный физик мог решать задачи (и особенно повышенного уровня), необходимо развивать у него навыки описания данного физического явления формулами и законами физики. Как музыкант извлекает из инструмента нужные ему звуки, так и ученик должен из своего небольшого ещё багажа законов и формул подобрать необходимые, чтобы описать то или иное явление.
Каждая задача по физике – это модель какого-либо физического явления. И необходимо, чтобы ученик образно представлял это явление в виде упрощённой физической модели, которую он способен описать математически. Когда составлена система уравнений, полностью описывающая данную физическую модель явления, дальше дело за математикой. Однако, методы решения систем уравнений, составленных из законов и формул физики и из заданных в условии задачи соотношений, зачастую выходят за рамки тех навыков, которые даёт школьная математика. Поэтому ещё одной задачей учителя физики является обучение специальным математическим приёмам при решении физических задач.
II . Обучение решению задач повышенного уровня
2.1 Взаимодействие тел.
2.1.1 Механическое движение
Задача №1
Катер идёт по течению реки из пункта А в пункт В 3 часа, обратно – 6 часов.
Сколько времени потребовалось бы этому катеру для того, чтобы проплыть расстояние АВ по течению при выключенном моторе?
Дано: Решение
t 1 = 3ч Выразим пройденные пути для всех 3-х случаев:
t 2 = 6ч из А в В по течению реки (1)
S 1 = S 2 = из В в А против течения реки (2)
= S 3 = S из А в В по течению с выключенным мотором (3)
Обозначим V р - скорость течения реки
t 3 - ? V - скорость катера
Получаем систему уравнений:
S=(V+V р ) t 1 (1)
S=(V-V р ) t 2 (2)
S = V р t 3 (3)
и решаем её относительно V , V р и t 3 методом подстановки.
Сначала из уравнения (1) выражаем
V
и
подставляем это значение в уравнение
(2):
,
(4)
Теперь выражение V р (4) подставляем в уравнение (3) и получаем отсюда t 3 - время по течению с выключенным мотором:
Ответ: t 3 = 12 ч
Задача №2
Теплоход по течению двигался со скоростью 15км/ч, а против течения – со скоростью 10 км/ч. С какой средней скоростью теплоход прошёл весь путь туда и обратно, если расстояние между двумя пристанями равно 8км.?
При решении задач на определение
средней скорости движения необходимо
помнить формулу
Дано: Решение
V 1 = 15км/ч
V
2
= 10км/ч
(1)
S = S 1 = S 2 = Необходимо найти t 1 и t 2 :
=
8км
,
V ср - ? Подставляем значения t 1 и t 2 в уравнение (1)
Ответ: V ср = 12км/ч
2.1.2 Масса и плотность тел.
Задача №3
Найдите объём полости чугунного шара массой 2,8 кг. Объём шара равен 500 см 3 .
Дано: СИ Решение
т = 2,8кг Для нахождения объёма полости в шаре V пол
V ш = 500см 3 0,0005м 3 необходимо найти объём чугуна V ч ,
= 7000 кг/м
3
и из объёма
шара V
ш
вычесть объём
Чугуна V ч :
V пол - ?
Ответ: V пол = 0,0001 м 3
Задача №4
Какова масса правой тележки, если она приобрела в 0,5 раза большую скорость, чем левая тележка, масса которой с грузом составляет 450 г?
Дано: СИ Решение
т л = 450г 0,45кг Для решения данной задачи используется закон
V п = 0,5 V л взаимодействия тел:
т
п
-?
(1)
Из уравнения (1) находим т п :
Ответ: т п = 0,9 кг
Задача №5
Каково должно быть отношение
объёмов воды и спирта для того, чтобы
их смесь имела плотность
= 0,9г/см 3 ? При
смешивании спирта с водой происходит
уменьшение объёма смеси. Объём смеси
составляет 0,97 от первоначального объёма
воды и спирта. Плотность воды
= 1г/см 3 ,
плотность спирта
= 0,8г/см 3 .
Дано: Решение
= 0,9г/см 3 Напишем уравнение, связывающее компоненты
V см = 0,97 (V сп + V в ) смеси до смешивания и после их смешивания,
= 1,0 г/см 3 учитывая условие задачи:
= 0,8 г/см
3
(1)
Разделим
уравнение (1) на выражение
и находим искомое соотношение:
Т.о.,
,
т.е. для приготовления смеси плотностью
0,9 г/см 3
необходимо взять 58 частей воды и 100
частей спирта.
Ответ:
= 0,58
2.2 Давление твёрдых тел, жидкостей и газов.
2.2.1 Сообщающиеся сосуды. Гидравлический пресс
Задача №6
В цилиндрических сообщающихся сосудах с одинаковыми диаметрами и одинаковой высоты находится ртуть.
В одном из сосудов поверх ртути
налит столб воды высотой
= 32 см.
Как будут расположены друг относительно друга уровни ртути в обоих сосудах, если оба сосуда доверху будут залиты керосином?
Плотность воды
= 1г/см 3 ,
ртути
= 13,6 г/см 3 ,
керосина
=0,8
г/см 3
Дано: Решение
= 32см Для решения данной задачи необходимо на рисунке
= 1,0 г/см 3 показать, как будут располагаться жидкости в коленах
= 13,6 г/см 3 сообщающихся сосудов, когда до верху в них налит
= 0,8 г/см 3 керосин. Давление, создаваемое в левом колене,
Уравновешено давлением, создаваемым в правом
- ?
колене.
Следовательно, мы можем написать
уравнение равновесия в данных сосудах:
Делим все члены уравнения на q ,
получаем: (1)
Подставим в (1) выражения:
и
(2)
Решаем уравнение (2) относительно
:
Т.о., высота ртути в правом колене сообщающихся сосудов больше, чем в левом на 0,5см
Ответ: = 0 ,5см
Задача №7
Малый поршень гидравлического пресса под действием силы 0,5кН опустился на 30см. При этом большой поршень поднялся на 6 см. Какая сила действует на большой поршень?
Дано: СИ Решение
= 0,5кН 500Н
Формула
гидравлического пресса:
= 30см 0,3м
(1)
= 6см 0,06м
Объём
жидкости, который перетекает из малого
Колена гидравлического пресса в большое при
-?
его
работе, равен объёму жидкости, которая
прибывает в большое колено:
, а
(2) и
(3)
Выразим из уравнений (2) и (3)
и
и подставим в уравнение (1):
;
;
(4)
Выражаем
из (4):
Ответ: = 2500Н
2.2.2 Архимедова сила. Условия плавания тел
Задача №8
Медный шар с внутренней полостью
весит в воздухе
= 0,264Н, в воде
=
0,221Н.
Определить объём внутренней полости шара. Плотность меди принять равной = 8,8 г/см 3 .
Дано: СИ Решение
q
= 10Н/кг
Выразим объём меди
через массу т
= 0,264Н
и плотность меди
:
= 0,221Н Выразим массу меди т из веса шара
= 8,8 г/см
3
8800 кг/м
3
в воздухе:
Бум, связанный с черными дырами, начался в астрономии в конце 50-х - начале 60-х годов. Проходили годы, многое прояснялось в этой загадке. Стала ясна неизбежность рождения черных дыр после смерти массивных звезд; открыли квазары, в центре которых, вероятно, находятся сверхмассивные черные дыры. Наконец, в рентгеновском источнике в созвездии Лебедя обнаружили первую черную дыру звездного происхождения. Физики-теоретики разобрались с диковинными свойствами самих черных дыр, постепенно привыкли к этим гравитационным пропастям, могущим только заглатывать вещество, увеличиваясь в размере, и, казалось бы, обреченным на вечное существование.
Ничто не предвещало нового грандиозного открытия. Но такое открытие, изумившее видавших виды знатоков, грянуло как гром среди ясного неба.
Оказалось, что черные дыры вовсе не вечны! Они могут исчезнуть в результате квантовых процессов, идущих в сильных гравитационных полях. Нам придется начать рассказ несколько издалека, чтобы сделать более понятным суть этого открытия.
Начнем с пустоты. Для физика пустота вовсе не является пустой. Это не каламбур. Уже давно установлено, что “абсолютной” пустоты, то есть “ничего, ничего”, в принципе быть не может. Что же физики называют пу стотой? Пустотой называют то, что остается, когда убирают все частицы, все кванты любых физических полей. Но тогда ничего не останется, скажет читатель (если он давно не интересовался физикой). Нет, оказывается, останется! Останется, как говорят физики, море нерожденных, так называемых виртуальных, частиц и античастиц. “Убрать” виртуальные частицы уже никак нельзя. В отсутствии внешних полей, то есть без сообщения энергии, они не могут превратиться в реальные частицы.
Лишь на короткий миг в каждой точке пустого пространства появляется пара - частица и античастица и тут же снова сливаются, исчезают, возвращаясь в свое “эмбриональное” состояние. Разумеется, наш упрощенный язык дает только некоторые образ тех квантовых процессов, которые происходят. Наличие моря виртуальных частиц-античастиц давно установлено прямыми физическими экспериментами. Не будем говорить здесь об этом, иначе мы бы неизбежно слишком отклонились от основной линии рассказа.
Чтобы избежать невольных каламбуров, физики называют пустоту вакуумом. Будем так делать и мы.
Достаточно сильное или переменное поле (например, электромагнитное) может вызвать превращение виртуальных частиц вакуума в реальные частицы и античастицы.
Интерес к подобным процессам теоретики и экспериментаторы проявляли давно. Рассмотрим процесс рождения реальных частиц переменным полем. Именно такой процесс важен в случае гравитационного поля. Известно, что квантовые процессы необычны, часто непривычны для рассуждений с точки зрения “здравого смысла”. Поэтому, прежде чем говорить о рождении частиц переменным гравитационным полем, приведем простой пример из механики. Он сделает понятнее дальнейшее.
Представьте себе маятник. Его подвес перекинут через блок, подтягивая веревку или опуская ее, можно менять длину подвеса. Толкнем маятник. Он начнет колебаться. Период колебаний зависит только от длины подвеса: чем длиннее подвес, тем больше период колебаний. Теперь будем очень медленно подтягивать веревку. Длина маятника уменьшится, уменьшится и период, но увеличится размах (амплитуда) колебаний. Медленно вернем веревку в прежнее положение. Период вернется к прежнему значению, прежней станет и амплитуда колебаний. Если пренебречь затуханием колебаний вследствие трения, то энергия, заключенная в колебаниях, в конечном состоянии останется прежней - такой, как была до всего цикла изменения длины маятника. Но можно так изменять длину маятника, что после возвращения к исходной длине амплитуда его колебаний будет меняться. Для этого надо подергивать веревку с частотой вдвое больше частоты маятника. Так мы поступаем, раскачиваясь на качелях. Мы опускаем и поджимаем ноги в такт нашим качаниям, и размах качелей все увеличивается. Конечно, можно и остановить качели, если подгибать ноги не в такт колебаниям, а в “противотакт”.
Подобным же образом можно “раскачивать” электромагнитные волны в резонаторе. Так называется полость с зеркальными стенками, отражающими электромагнитные волны. Если в такой полости с зеркальными стенками и с зеркальным поршнем имеется электромагнитная волна, то, двигая поршень вперед и назад с частотой, вдвое больше частоты электромагнитной волны, мы будем менять амплитуду волны. Двигая поршень в “такт” колебаниям волны, можно увеличить амплитуду, а значит, и интенсивность электромагнитной волны, а двигая поршень в “противотакт”, можно гасить волну. Но если двигать поршень хаотически - ив такт и в “противотакт”, - то в среднем всегда получится усиление волны, то есть в электромагнитные колебания энергия “накачивается”.
Пусть теперь в нашей полости - резонаторе имеются волны всевозможных частот. Как бы мы ни двигали поршень, всегда найдется волна, для которой движение поршня происходит в такт. Амплитуда и интенсивность этой волны возрастут. Но чем больше интенсивность волны, тем больше она содержит фотонов-квантов электромагнитного поля. Итак, движение поршня, изменяя размер резонатора, ведет к рождению новых фотонов.
После знакомства с этими простыми примерами вернемся к вакууму, к этому морю всевозможных виртуальных частиц. Для простоты мы будем говорить пока только об одном сорте частиц - о виртуальных фотонах - частицах электромагнитного поля. Оказывается, процесс, подобный рассмотренному нами изменению размеров резонатора, который в классической физике ведет к усилению уже имеющихся колебаний (волн), в квантовой физике может приводить к “усилению” виртуальных колебаний, то есть к превращению виртуальных частиц в реальные. Так, изменение гравитационного поля со временем должно вызывать рождение фотонов с частотой, соответствующей времени изменения поля. Обычно эти эффекты ничтожны, так как слабы гравитационные поля. Однако в сильных полях ситуация меняется.
Еще один пример: очень сильное электрическое поле вызывает рождение из вакуума пар заряженных частиц - электронов и позитронов.
Вернемся из нашего краткого экскурса в физику пустоты к черным дырам. Могут ли рождаться частицы из вакуума в окрестностях черных дыр?
Да, могут. Это было известно давно, и в этом не было ничего сенсационного. Так, при сжатии электрически заряженного тела и превращении его в заряженную черную дыру электрическое поле возрастает настолько, что рождает электроны и позитроны. Подобные процессы изучали академик М. Марков и его ученики. Но такое рождение частиц возможно и без черной дыры, надо лишь любым способом увеличить электрическое поле до достаточной величины. Ничего специфического для черной дыры здесь нет.
Академик Я. Зельдович показал, что рождаются частицы и в эргосфере вращающейся черной дыры, отнимая от нее энергию вращения. Такое явление подобно процессу, открытому Р. Пенроузом.
Все эти процессы вызываются полями вокруг черной дыры и приводят к изменению этих полей, но они не уменьшают саму черную дыру, не уменьшают размеры области, откуда не выходит свет и любое другое излучение и частицы.
Новиков И.Д.