Вступ
У моїй практиці викладання фізики найбільш вдалим, на мою думку, є приклади уроків, у яких дітям доводиться самим побувати в ролі дослідника, розмірковувати, припускати, фантазувати і потім перевіряти свої ідеї. Важливою перевагою природничих наук і, зокрема, фізики є можливість експериментальної перевірки та застосування отриманих знань. У роботі пропонується проблемне завдання, в результаті якого вводиться нове поняття – щільність тіла. Потім учні застосовують поняття щільності тіла на вирішення практичних завдань.
Ціль:вивчення та первинне закріплення нових знань.
Учні вивчать нову фізичну величину, визначать густину твердого тіла на практиці. Учні будуть застосовувати поняття щільності для вирішення простих та проблемних завдань.
(Тема розрахована на два уроки по 45 хвилин)
Урок 1
Цар Гієрон (250 років до н.е.) доручив майстру виготовити корону з одного злитка чистого золота. (Додаток 1)
Вам доручили перевірити чесність майстра, який виготовив золоту корону. У вашому розпорядженні корона і злиток золота, такий самий, який був виданий майстру. Як дізнатися, чи не замінив майстер частину золота дешевим металом, наприклад, залізом або міддю?
Які фізичні величини треба виміряти, щоб відповісти на запитання:
Більшість дітей відразу здогадуються, що треба порівняти маси корони та зливка, наприклад, за допомогою важелів. Швидше за все, навіть якщо майстер схитрував, то замість золота доданий інший метал і маса корони співпадатиме з масою виданого зливка. Що ще треба перевірити? Тут допоможе наступна підказка: на ваги важеля покласти два тіла однакової маси і бажано форми, але з різного матеріалу (наприклад, сталевий і алюмінієвий циліндри). Діти бачать, що другий величиною порівняння є обсяг.
Робимо висновок: якщо не тільки маси, а й об'єм корони та об'єм зливка збігаються, то майстер чесно виконав роботу.
Обговорюємо вимірювання об'єму тіл складної форми та розповідаємо про Архімеда та його відкриття.
А тепер ускладнимо завдання! Як же бути, якщо вже немає такого ж зливка, як той, з якого була виготовлена корона, а цар не здогадався заздалегідь виміряти його масу і обсяг? Тепер у Вашому розпорядженні корона та невеликий зливок чистого золота (або, наприклад, монета), як відповісти на те саме питання:
ЧИ Є ПРИМІСТИ ІНШИХ МЕТАЛІВ У ЗОЛОТІЙ КОРОНІ?
Підказка:
Існує фізична величина, що характеризує речовину, з якої складаються різні тіла. Ця величина є однаковою для всіх предметів з однієї й тієї ж речовини. Наприклад, для золотого зливка, корони, монети, кільця чи ланцюжка.
ЯКА ЦЕ ВЕЛИЧИНА?
Як підказка можна запропонувати скласти таку величину з уже названих дітьми маси та обсягу тіл. У деяких випадках корисно розглянути всі можливі комбінації з використанням операцій додавання, віднімання, множення, поділу. Таким чином, розглядаємо безглуздість варіантів m-V, m+V. Варіант mхV не підходить, оскільки дана величина для корони буде більшою, ніж для монетки. Залишаються правильні варіанти m:V і V:m, один із цих варіантів і отримав назву - щільність.
Щільність - це фізична величина, що дорівнює відношенню маси тіла до його об'єму.
Щільність твердих тіл (г/см3 або 1000 кг/м3)
Алюміній |
||||
Береза (суха) |
||||
Пісок (сухий) |
||||
Дуб (сухий) |
||||
Ялина (суха) |
||||
Залізо, сталь |
||||
Сосна (суха) |
||||
Щільність золота r = 19,3 г/см 3 , тобто в одному кубічному сантиметрі міститься 19,3 г цієї речовини.
Щільність показує, чому дорівнює маса одиниці об'єму цієї речовини.
Робота з таблицею дозволяє обговорити кількісно, які матеріали найбільш щільні, менш щільні. У підручниках та задачниках зазвичай є щільності рідин та газів. Для запам'ятовування найбільш важливим є щільність чистої води 1 г/см3 або 1000 кг/м3. щільність льоду менше щільності води, що є однією з дивовижних властивостей води, що визначила частково вигляд нашої планети і можливість виживання мешканців водойм в зимовий час.
Як використовувати наявний довідковий матеріал?
Для відпрацювання знань про щільність твердих тіл пропонується практична робота з набором тіл однакового обсягу, але різної маси. Виконуючи її, хлопці визначають густину тіла, знаходять по таблиці найближче до отриманої величини значення і таким чином визначають з якої речовини зроблено тіло.
Перше тіло можна видати всім однакове і разом із класом розібрати визначення речовини, заповнивши перший рядок таблиці.
Потім видаються інші тіла та діти, працюючи в парах, визначають назви речовин.
Практична робота "Визначення щільності речовини твердого тіла"
Мета роботи: навчитися визначати щільність твердого тіла та користуючись довідковими даними з'ясувати речовину, з якої вона виготовлена.
Прилади та матеріали: лінійка (штангенциркуль), ваги, калькулятор, набір тіл однакового об'єму, виготовлених із різних речовин.
|
V= |
b= | c= |  |
- Виміряйте розміри тіла, обчисліть його об'єм (не забувайте писати розмірність величин).
- Виміряйте масу тіла на терезах. Результати запишіть до таблиці.
- Розрахуйте щільність тіла за формулою
4. Користуючись довідковими даними, визначте речовину, з якої складається тіло, та внесіть до таблиці її щільність та назву.
Маса тіла |
Об'єм тіла |
Щільність речовини |
Г/см³ |
Назва речовини |
|
Висновок.
_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Наприкінці уроку дається назва речовини кожному за тіла (велико надруковану таблицю розміщуємо на дошці) і діти проводять взаємну оцінку, обмінявшись робочими листами. Обговорюємо, чому є невелика відмінність знайдених густин від табличних значень (похибка визначення об'єму, маси тіла; вплив температури тіла на густину).
Урок 2
Дослідницька робота. «Визначення густини твердого тіла. Чи є всередині тіла повітряна порожнина чи ущільнення?
Для цієї роботи кожній групі (парі учнів) видається два тіла. Одне з тіл є «еталонним», тобто воно не має повітряної порожнини, ні ущільнення. Саме порівнюючи щільність другого тіла з «еталонним», учні відповідають на поставлене запитання.
Мета роботи:___________________________________________________________
_______________________________________________________________________
Прилади та матеріали: __________________________________________________
_______________________________________________________________________
Гіпотеза: ______________________________________________________________
_______________________________________________________________________
Для двох тіл виконайте такі дії та заповніть таблицю.
1. Виміряйте масу тіла на терезах.
2. Виміряйте розміри тіла, обчисліть його об'єм.
3. Розрахуйте щільність тіла
Зробіть висновок та поясніть його на основі отриманих даних:
________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Висновок.
Таблиці.
Оцінка та самооцінка дослідження.
Тілами для цієї роботи є бруски прямокутної форми з різних порід деревини. Кожна група досліджує два тіла з однієї деревини: одне – «еталон», інше – досліджуване. В останньому тілі необхідно висвердлити отвір великого діаметру та обклеїти картоном так, щоб грані залишалися гладкими. Деякі порожнини заповнюємо металевими шайбами (можна монетами) та тіло також обклеюємо картоном. Таким чином, результати вимірювань та відповідь на запитання у кожної групи буде своєю, що дозволить якісно перевірити засвоєння теми. При цьому розміри брусків бажано вибрати помітно різними один від одного, тоді гіпотеза про те, що ж в тілі, що досліджується, порожнину або ущільнення, стає просто припущенням. Обов'язково попередьте дітей, що оцінка не знижується, якщо припущення не підтвердилося. Важливо те, що діти вчаться порівнювати результати вимірів та обчислень із початковим припущенням.
Наприкінці роботи, учні можуть написати свої коментарі та запропонувати варіанти подальшого дослідження теми. Комусь здасться цікавим перейти до вивчення густини рідин (наприклад, різних напоїв), для когось варіантом продовження роботи може бути вимірювання густини тіл складної форми.
Наприкінці уроку записуються три варіанти формул, що зв'язують три величини: масу, об'єм та щільність тіла.
Домашнє завдання складається з кількох типових завдань з розрахунку маси та обсягу тіла за його густиною.
Творче завдання: скласти «завдання з життя» для однокласників, при вирішенні яких буде використано записані формули.
(наприклад, знайти масу води в акваріумі об'ємом 50 літрів; знайти масу льоду, який можна вмістити в морозильну камеру об'ємом 20 літрів; принести упаковку морозива, на якій вказано масу та об'єм, відповідно знайти щільність; завдання на визначення матеріалів, які можна перевезти в автомобілі з відомим об'ємом кузова (або багажника) та вантажопідйомністю).
Готові роботи
ДИПЛОМНІ РОБОТИ
Багато чого вже позаду і тепер ти – випускник, якщо, звісно, вчасно напишеш дипломну роботу. Але життя - така штука, що тільки зараз тобі стає зрозуміло, що, переставши бути студентом, ти втратиш усі студентські радості, багато з яких, ти так і не скуштував, все відкладаючи та відкладаючи на потім. І тепер, замість того, щоб надолужувати втрачене, ти копишся над дипломною роботою? Є чудовий вихід: завантажити потрібну тобі дипломну роботу з нашого сайту - і в тебе миттю з'явиться багато вільного часу!
Дипломні роботи успішно захищені у провідних Університетах РК.
Вартість роботи від 20 000 тенге
КУРСОВІ РОБОТИ
Курсовий проект – це перша серйозна практична робота. Саме з написання курсової розпочинається підготовка до розробки дипломних проектів. Якщо студент навчитися правильно викладати зміст теми в курсовому проекті та грамотно його оформляти, то надалі у нього не виникне проблем ні з написанням звітів, ні зі складанням дипломних робіт, ні з виконанням інших практичних завдань. Щоб надати допомогу студентам у написанні цього типу студентської роботи і роз'яснити питання, що виникають під час її складання, власне кажучи, і був створений даний інформаційний розділ.
Вартість роботи від 2500 тенге
МАГІСТЕРСЬКІ ДИСЕРТАЦІЇ
В даний час у вищих навчальних закладах Казахстану та країн СНД дуже поширений ступінь вищої професійної освіти, який слідує після бакалаврату - магістратура. У магістратурі навчаються з метою отримання диплома магістра, який визнається в більшості країн світу більше, ніж диплом бакалавра, а також визнається зарубіжними роботодавцями. Підсумком навчання у магістратурі є захист магістерської дисертації.
Ми надамо Вам актуальний аналітичний та текстовий матеріал, у вартість включено 2 наукові статті та автореферат.
Вартість роботи від 35 000 тенге
ЗВІТИ З ПРАКТИКИ
Після проходження будь-якого типу студентської практики (навчальної, виробничої, переддипломної) потрібно скласти звіт. Цей документ буде підтвердженням практичної роботи студента та основою формування оцінки за практику. Зазвичай, щоб скласти звіт з практики, потрібно зібрати та проаналізувати інформацію про підприємстві, розглянути структуру та розпорядок роботи організації, в якій проходить практика, скласти календарний план та описати свою практичну діяльність.
Ми допоможемо написати звіт про проходження практики з урахуванням специфіки діяльності конкретного підприємства.
Чи знаєте Ви, у чому хибність поняття "фізичний вакуум"?
Фізичний вакуум - поняття релятивістської квантової фізики, під ним там розуміють нижчий (основний) енергетичний стан квантованого поля, що має нульовий імпульс, момент імпульсу та інші квантові числа. Фізичним вакуумом релятивістські теоретики називають повністю позбавлене речовини простір, заповнений невимірюваним, отже, лише уявним полем. Такий стан на думку релятивістів не є абсолютною порожнечею, але простір, заповнений деякими фантомними (віртуальними) частинками. Релятивістська квантова теорія поля стверджує, що, у згоді з принципом невизначеності Гейзенберга, у фізичному вакуумі постійно народжуються і зникають віртуальні, тобто частки, що здаються (кому здаються?): відбуваються так звані нульові коливання полів. Віртуальні частки фізичного вакууму, а отже, він сам, за визначенням не мають системи відліку, тому що в іншому випадку порушувався б принцип відносності Ейнштейна, на якому ґрунтується теорія відносності (тобто стала б можливою абсолютна система вимірювання з відліком від частинок фізичного вакууму, що у свою чергу однозначно спростувало б принцип відносності, на якому побудована СТО). Таким чином, фізичний вакуум і його частинки не є елементами фізичного світу, але лише елементи теорії відносності, які існують не в реальному світі, але лише в релятивістських формулах, порушуючи при цьому принцип причинності (виникають і зникають так), принцип об'єктивності (віртуальні частки можна вважати залежно від бажання теоретика або існуючими, або не існуючими), принцип фактичної вимірності (не спостерігаються, не мають своєї ISO).
Коли той чи інший фізик використовує поняття "фізичний вакуум", він або не розуміє абсурдності цього терміна, або лукавить, будучи прихованим або явним прихильником релятивістської ідеології.
Зрозуміти абсурдність цього поняття найлегше звернувшись до витоків його виникнення. Народжено воно було Полем Діраком у 1930-х, коли стало зрозуміло, що заперечення ефіру в чистому вигляді, як це робив великий математик, але посередній фізик вже не можна. Занадто багато фактів суперечить цьому.
Для захисту релятивізму Поль Дірак ввів афізичне та алогічне поняття негативної енергії, а потім і існування "моря" двох компенсуючих один одного енергій у вакуумі - позитивної і негативної, а також "моря" частинок, що компенсують одна одну, - віртуальних (тобто здаються) електронів і позитронів у вакуумі.
Відділ освіти Прикубанського внутрішньоміського округу
Міська виставка педагогічної майстерності
"Педагогічний марафон-2008"
Вирішення завдань підвищеного рівня з фізики
Підготовка учнів до ЄДІ
Кочегорова Тамара Веніяминівна
вчитель фізики МОУ ЗОШ №68
Краснодар 2008
|
I. Вступ |
|
|
ІІ. Навчання вирішення завдань підвищеного рівня |
|
|
2.1 Взаємодія тел |
|
|
2.1.1 Механічне рух |
|
|
Завдання №1,2 |
|
|
2.1.2 Маса та щільність тіл |
|
|
Завдання №3-5 |
|
|
2.2 Тиск твердих тіл, рідин та газів |
|
|
2.2.1 Сполучені судини. Гідравлічний прес |
|
|
Завдання № 6,7 |
|
|
2.2.2 Архімедова сила. Умови плавання тіл |
|
|
Завдання №8-10 |
|
|
2.3 Механічна робота. Потужність. Енергія. Важелі. Блоки |
|
|
2.3.1 Механічна робота. Потужність. Енергія. |
|
|
Завдання №11-13 |
|
|
2.3.2 Важелі. Блоки. Момент сили |
|
|
Завдання №14-17 |
|
|
2.4 Теплові явища. Зміна агрегатних станів речовини |
|
|
Завдання №18-21 |
|
|
2.5 Електричні явища. Робота, потужність, енергія струму |
|
|
Завдання №22-24 |
|
|
Кінематика матеріальної точки. Відносність механічного руху |
|
|
Завдання №25-28 |
|
|
2.7 Закони збереження у механіці |
|
|
Завдання №29,30 |
|
|
2.8 Оптика |
|
|
2.8.1 Геометрична оптика |
|
|
Завдання №31,32 |
|
|
2.8.2 Хвильова оптика |
|
|
Завдання №33 |
|
|
2.9 Квантова механіка |
|
|
Завдання №34-36 |
|
|
3.0 Електродинаміка |
|
|
Завдання №37,38 |
|
|
ІІІ. Висновок |
|
|
Література |
Викладання фізики відрізняється з інших предметів різноманітністю форм навчання. Це і лекційні заняття, і практичні, і лабораторні роботи. Окремим пунктом у навчанні фізики стоїть уміння вчителя навчити учнів розв'язання фізичних завдань.
Завдання вчителя - фізика полягає в тому, щоб навчити бачити навколишній світ, навколишні явища очима аналітика, здатного виявити взаємозв'язок, знайти причину і пояснити слідство. Тобто сформувати в учня фізичне мислення. Щоб юний фізик міг вирішувати завдання (і особливо підвищеного рівня), необхідно розвивати в нього навички опису даного фізичного явища формулами і законами фізики. Як музикант витягує з інструменту потрібні йому звуки, так і учень повинен зі свого невеликого ще багажу законів та формул підібрати необхідні, щоб описати те чи інше явище.
Кожне завдання з фізики – це модель будь-якого фізичного явища. І необхідно, щоб учень образно уявляв це явище у вигляді спрощеної фізичної моделі, яку він здатний описати математично. Коли складено систему рівнянь, що повністю описує цю фізичну модель явища, далі справа за математикою. Проте, методи розв'язання систем рівнянь, складених із законів і формул фізики та із заданих за умови завдання співвідношень, найчастіше виходять за межі тих навичок, які дає шкільна математика. Тому ще одним завданням вчителя фізики є навчання спеціальним математичним прийомам під час вирішення фізичних завдань.
II. Навчання вирішення завдань підвищеного рівня
2.1. Взаємодія тел.
2.1.1 Механічне рух
Завдання №1
Катер йде за течією річки з пункту А пункт В 3 години, назад – 6 годин.
Скільки часу потрібно цьому катеру для того, щоб пропливти відстань АВ за течією при вимкненому моторі?
Дано: Рішення
t 1 = 3годВиразимо пройдені шляхи для всіх 3-х випадків:
t 2 = 6годз А в В за течією річки (1)
S 1 = S 2 = з В в А проти течії річки (2)
= S 3 = S з А в по течії з вимкненим мотором (3)
Позначимо V р - швидкість течії річки
t 3 - ? V - швидкість катера
Отримуємо систему рівнянь:
S=(V+V р ) t 1 (1)
S=(V-V р ) t 2 (2)
S= V р t 3 (3)
і вирішуємо її щодо V, V рі t 3 методом підстановки.
Спочатку з рівняння (1) виражаємо V
і підставляємо це значення рівняння (2):
,
(4)
Тепер вираз V р(4) підставляємо в рівняння (3) і одержуємо звідси t 3 - час за течією з вимкненим мотором:
Відповідь: t 3 = 12 год
Завдання №2
Теплохід за течією рухався зі швидкістю 15 км/год, а проти течії – зі швидкістю 10 км/год. З якою середньою швидкістю теплохід пройшов весь шлях туди і назад, якщо відстань між двома пристанями дорівнює 8 км.?
При вирішенні завдань визначення середньої швидкості руху необхідно пам'ятати формулу 
Дано: Рішення
V 1 = 15км/год
V 2
= 10 км/год
(1)
S = S 1 = S 2 = Необхідно знайти t 1 і t 2 :
=
8км 
,
V ср - ? Підставляємо значення t 1 і t 2 рівняння (1)
Відповідь: V ср = 12км/год
2.1.2 Маса та щільність тел.
Завдання №3
Знайдіть об'єм порожнини чавунної кулі масою 2,8 кг. Об'єм кулі дорівнює 500 см 3 .
Дано: СІ Рішення
т = 2,8 кгДля знаходження об'єму порожнини у кулі V підлога
V ш = 500см 3 0,0005м 3 необхідно знайти обсяг чавуну V год ,
= 7000 кг/м 3
та з об'єму кулі V швідняти обсяг
Чавуна V год :
V підлога - ?
Відповідь: V підлога = 0,0001 м 3
Завдання №4
Яка маса правого візка, якщо вона придбала в 0,5 рази більшу швидкість, ніж лівий візок, маса якого з вантажем становить 450 г?
Дано: СІ Рішення
т л = 450г 0,45кгДля вирішення цього завдання використовується закон
V п = 0,5 V л взаємодії тел:
т п
-?
(1)
З рівняння (1) знаходимо т п :
Відповідь: т п = 0,9 кг
Завдання №5
Яким має бути відношення об'ємів води та спирту для того, щоб їхня суміш мала щільність 
= 0,9 г/см 3 ? При змішуванні спирту із водою відбувається зменшення обсягу суміші. Об'єм суміші становить 0,97 від початкового об'єму води та спирту. Щільність води 
= 1г/см 3 щільність спирту 
= 0,8 г/см3.
Дано: Рішення
= 0,9 г/см 3 Напишемо рівняння, що зв'язує компоненти
V см = 0,97 (V сп + V в ) суміші до змішування та після їх змішування,
= 1,0 г/см 3 враховуючи умову завдання:
= 0,8 г/см 3
(1)
Розділимо рівняння (1) на вираз 
і знаходимо шукане співвідношення:
Т.о., 
, тобто. для приготування суміші щільністю 0,9 г/см 3 необхідно взяти 58 частин води та 100 частин спирту.
Відповідь: 
= 0,58
2.2 Тиск твердих тіл, рідин та газів.
2.2.1 Сполучені судини. Гідравлічний прес
Завдання №6
У циліндричних сполучених судинах з однаковими діаметрами та однакової висоти знаходиться ртуть.
В одній із судин поверх ртуті налитий стовп води заввишки 
= 32 див.
Як будуть розташовані один щодо одного рівні ртуті в обох судинах, якщо обидві судини доверху будуть залиті гасом?
Щільність води = 1г/см 3 ртуті 
= 13,6 г/см 3 , гасу
=0,8 г/см 3
Дано: Рішення
= 32смДля вирішення цього завдання необхідно на малюнку
= 1,0 г/см 3 показати, як будуть розташовуватися рідини в колінах
= 13,6 г/см 3 сполучених судин, коли до верху в них налитий
= 0,8 г/см 3 гас. Тиск, що створюється в лівому коліні,
Врівноважено тиском, створюваним у правому
- ?
коліна.
Отже, ми можемо написати
рівняння рівноваги у цих судинах:
Ділимо всі члени рівняння на q ,
отримуємо: (1)
Підставимо в (1) вирази: 
і
(2)
Вирішуємо рівняння (2) щодо 
:
Т.ч., висота ртуті в правому коліні судин, що сполучені більше, ніж у лівому на 0,5см
Відповідь: = 0 ,5см
Завдання №7
Малий поршень гідравлічного преса під впливом сили 0,5кН опустився на 30см. При цьому великий поршень піднявся на 6 см. Яка сила діє великий поршень?
Дано: СІ Рішення
= 0,5 кН 500НФормула гідравлічного преса:
= 30см 0,3м
(1)
= 6см 0,06мОб'єм рідини, що перетікає з малого
Коліна гідравлічного преса у велике при
-?
його роботі дорівнює обсягу рідини, яка
прибуває у велике коліно:
, а 
(2) та 
(3)
Виразимо з рівнянь (2) та (3) 
і 
і підставимо в рівняння (1):
;
;
(4)
Виражаємо з (4): 
Відповідь: = 2500Н
2.2.2 Архімедова сила. Умови плавання тіл
Завдання №8
Мідна куля з внутрішньою порожниною важить у повітрі
= 0,264Н, у воді 
= 0,221Н.
Визначити об'єм внутрішньої порожнини кулі. Щільність міді прийняти рівною = 8,8 г/см 3 .
Дано: СІ Рішення
q= 10Н/кгВиразимо обсяг міді 
через масу т
= 0,264Ні щільність міді: 
= 0,221НВисловимо масу міді тіз ваги кулі
= 8,8 г/см 3
8800 кг/м 3
у повітрі: 
Бум, пов'язаний із чорними дірками, почався в астрономії наприкінці 50-х – на початку 60-х років. Минали роки, багато прояснювалося у цій загадці. Стала зрозумілою неминучість народження чорних дірок після смерті масивних зірок; відкрили квазари, у центрі яких, ймовірно, знаходяться надмасивні чорні дірки. Нарешті, у рентгенівському джерелі у сузір'ї Лебедя виявили першу чорну дірку зіркового походження. Фізики-теоретики розібралися з дивовижними властивостями самих чорних дірок, поступово звикли до цих гравітаційних прірв, які можуть лише заковтувати речовину, збільшуючись у розмірі, і, здавалося б, приреченим на вічне існування.
Ніщо не віщувало нового грандіозного відкриття. Але таке відкриття, що здивувало знавців, що бачили, спалахнуло як грім серед ясного неба.
Виявилось, що чорні дірки зовсім не вічні! Вони можуть зникнути внаслідок квантових процесів, що йдуть у сильних гравітаційних полях. Нам доведеться почати розповідь дещо здалеку, щоб зробити більш зрозумілою суть цього відкриття.
Почнемо з порожнечі. Для фізика порожнеча зовсім не порожня. Це не каламбур. Вже давно встановлено, що "абсолютної" порожнечі, тобто "нічого, нічого", у принципі не може бути. Що ж фізики називають пустотою? Порожнечею називають те, що залишається, коли прибирають усі частинки, усі кванти будь-яких фізичних полів. Але тоді нічого не залишиться, скаже читач (якщо він давно не цікавився фізикою). Ні, виявляється, лишиться! Залишиться, як кажуть фізики, море ненароджених, про віртуальних, частинок і античастинок. "Прибрати" віртуальні частки вже не можна. Без зовнішніх полів, тобто без повідомлення енергії, вони не можуть перетворитися на реальні частинки.
Лише на коротку мить у кожній точці порожнього простору з'являється пара - частка і античастка і відразу зливаються, зникають, повертаючись у свій “ембріональний” стан. Зрозуміло, наша спрощена мова дає лише деякі образ тих квантових процесів, що відбуваються. Наявність моря віртуальних частинок-античастинок давно встановлено прямими фізичними експериментами. Не говоритимемо тут про це, інакше ми б неминуче надто відхилилися від основної лінії оповідання.
Щоб уникнути мимовільних каламбурів, фізики називають вакуум вакуумом. Так робитимемо і ми.
Достатньо сильне або змінне поле (наприклад, електромагнітне) може викликати перетворення віртуальних частинок вакууму на реальні частинки та античастинки.
Інтерес до подібних процесів теоретики та експериментатори виявляли давно. Розглянемо процес народження реальних частинок змінним полем. Саме такий процес важливий у разі гравітаційного поля. Відомо, що квантові процеси незвичайні, часто незвичні для міркувань з погляду здорового глузду. Тому перш ніж говорити про народження частинок змінним гравітаційним полем, наведемо простий приклад з механіки. Він зробить зрозуміліше подальше.
Уявіть собі маятник. Його підвіс перекинутий через блок, підтягуючи мотузку або опускаючи її, можна змінювати довжину підвісу. Толкнем маятник. Він почне вагатися. Період коливань залежить тільки від довжини підвісу: чим довше підвіс, тим більший період коливань. Тепер дуже повільно підтягуватимемо мотузку. Довжина маятника зменшиться, зменшиться період, але збільшиться розмах (амплітуда) коливань. Повільно повернемо мотузку у колишнє положення. Період повернеться до колишнього значення, колишньою стане і амплітуда коливань. Якщо знехтувати згасанням коливань внаслідок тертя, то енергія, укладена в коливаннях, у кінцевому стані залишиться незмінною - такою, як була до всього циклу зміни довжини маятника. Але можна так змінювати довжину маятника, що після повернення до вихідної довжини амплітуда його коливань змінюватиметься. Для цього треба посмикувати мотузку з частотою вдвічі більшою за частоту маятника. Так ми робимо, розгойдуючись на гойдалках. Ми опускаємо і підтискуємо ноги в такт нашим хитання, і розмах гойдалок все збільшується. Звичайно, можна і зупинити гойдалку, якщо підгинати ноги не в такт коливанням, а в протитакт.
Подібним чином можна “розгойдувати” електромагнітні хвилі в резонаторі. Так називається порожнина із дзеркальними стінками, що відбивають електромагнітні хвилі. Якщо в такій порожнині з дзеркальними стінками і дзеркальним поршнем є електромагнітна хвиля, то, рухаючи поршень вперед і назад з частотою, вдвічі більше частоти електромагнітної хвилі, ми будемо змінювати амплітуду хвилі. Рухаючи поршень у “такт” коливань хвилі, можна збільшити амплітуду, отже, і інтенсивність електромагнітної хвилі, а рухаючи поршень у “протитакт”, можна гасити хвилю. Але якщо рухати поршень хаотично - і в такт і "протитакт", - то в середньому завжди вийде посилення хвилі, тобто в електромагнітні коливання енергія "накачується".
Нехай тепер у нашій порожнині – резонаторі є хвилі різних частот. Хоч би як ми рухали поршень, завжди знайдеться хвиля, для якої рух поршня відбувається в такт. Амплітуда та інтенсивність цієї хвилі зростуть. Але чим більша інтенсивність хвилі, тим більше вона містить фотонів-квантів електромагнітного поля. Отже, рух поршня змінюючи розмір резонатора, веде до народження нових фотонів.
Після знайомства з цими простими прикладами повернемося до вакууму, цього моря всіляких віртуальних частинок. Для простоти ми говоритимемо поки що тільки про один сорт частинок - про віртуальні фотони - частинки електромагнітного поля. Виявляється, процес, подібний до розглянутої нами зміни розмірів резонатора, який у класичній фізиці веде до посилення вже наявних коливань (хвиль), у квантовій фізиці може призводити до “посилення” віртуальних коливань, тобто до перетворення віртуальних частинок на реальні. Так, зміна гравітаційного поля з часом має викликати народження фотонів із частотою, що відповідає часу зміни поля. Зазвичай ці ефекти мізерні, оскільки слабкі гравітаційні поля. Проте у сильних полях ситуація змінюється.
Ще один приклад: дуже сильне електричне поле викликає народження з вакууму пар заряджених частинок – електронів та позитронів.
Повернімося з нашого короткого екскурсу до фізики порожнечі до чорних дірок. Чи можуть народжуватися частинки з вакууму на околицях чорних дірок?
Так, можуть. Це було відомо давно і в цьому не було нічого сенсаційного. Так, при стисканні електрично зарядженого тіла та перетворенні його на заряджену чорну дірку електричне поле зростає настільки, що народжує електрони та позитрони. Подібні процеси вивчали академік М. Марков та його учні. Але таке народження часток можливе і без чорної дірки, треба лише будь-яким способом збільшити електричне поле до достатньої величини. Нічого специфічного для чорної дірки тут нема.
Академік Я. Зельдович показав, що народжуються частки і в ергосфері чорної діри, що обертається, забираючи від неї енергію обертання. Таке явище подібне до процесу, відкритого Р. Пенроузом.
Всі ці процеси викликаються полями навколо чорної дірки та призводять до зміни цих полів, але вони не зменшують саму чорну дірку, не зменшують розміри області, звідки не виходить світло та будь-яке інше випромінювання та частинки.
Новіков І.Д.