Аналогии в курсе физики средней школы (стр. 9 из 11)

Таким образом данная аналогия помогает учащимся лучше разобраться и понять постулаты Бора и энергетическую модель атома.

ГЛАВА 3. Изучение аналогий на факультативах,

кружках и спецкурсах.

§ 8. Волчок и магнит.

Рассмотрим пример, который заключается в запуске волчка. При запуске волчка, мы любуемся его кружением, удивляемся его устойчивости и нам хочется разгадать его тайну. Почему неподвижный волчок не может стоять на острие своей оси, а приведи его в быстрое движение – и, словно перед тобой совсем другой предмет, он стойко держится, вращаясь вокруг вертикальной оси. Мало того, волчок упорно сопротивляется попыткам упорно вывести его из этого положения. Если попытаться толкнуть его, вывести волчок из вертикального положения, опрокинуть, но волчок и после толчка продолжает кружиться, описывая своей осью коническую поверхность (рис. 1).

Рис.1.

Если рассмотреть опыт с вращающейся цепью и заставить ее стоять, как твердый обруч, покажется смешной фантазией, но сообщите цепи быстрое вращение, надев ее на вращающийся шкив, и затем сдвиньте в сторону, дайте ей соскользнуть на стол, и она «побежит» по столу так же, как если бы была твердым кольцом.

Механика дает объяснение этому удивительному явлению. Для этого надо знать закон сохранения момента импульса. Для вращательного движения справедлив закон сохранения момента импульса: L = Iw=const. где L — момент импульса; I — момент инерции, характеризующий инерцию вращательного движения, w — угловая скорость. Только под действием внешних сил, например трения, катящаяся цепочка может уменьшить скорость вращения и тогда, потеряв форму, упадет на стол. То же относится и к волчку.

Мы познакомились с одним свойством волчка—сохранением направления оси волчка. Обратимся ко второму важному его свойству. Лучше всего оно обнаруживается в следующем опыте (рис. 2).

Рис.2.

Сплошная латунная шайба К. с утолщенным ободом надета на стальную ось А, вокруг которой она может вращаться внутри латунного кольца . Если намотать на ось шнурок и быстро потянуть его, то шайба придет в быстрое вращение. Прилив D на кольце R имеет снизу углубление, которым весь волчок может быть надет на стальное острие штатива. Если при этом не поддерживать прибор рукой, то он под действием силы тяжести опрокинется и упадет. Если же, прежде чем убрать руку, привести прибор во вращение, то ось волчка с его кольцами как бы повиснет в горизонтальном положении, причем вся система будет поворачиваться вокруг вертикальной оси штатива. Это вращение получило название прецессии. Прецессия возникла как результат действия силы тяжести и стремления вращающегося волчка сохранять направление оси.

В 1852 г. французский физик Фуко обнаружил, что горизонтальная ось вращающегося волчка устанавливается в направлении север — юг, подобно магнитной стрелке компаса. С той разницей, что ось волчка устанавливается в плоскости географического меридиана, а стрелка компаса в плоскости магнитного меридиана, который, как известно, не совпадает с географическим.

Объясним это удивительное свойство волчка. Для простоты представим, что наш гироскоп расположен на экваторе в точке А (рис. 3), причем его ось ориентирована с востока на запад. Так как Земля вращается, то через некоторое время точка А перейдет из положения 1 в положение 2. Ось гироскопа, как мы знаем, стремится сохранить прежнее направление, но действие силы тяжести приводит ее снова в горизонтальное положение. Совместное действие силы тяжести и вращения вызывает прецессию. Ось поворачивается до тех пор, пока не установится параллельно земной оси, в плоскости меридиана с севера на юг. После этого прецессия прекращается, так как при продолжающемся вращении Земли ось гироскопа будет перемещаться параллельно самой себе, а прецессия наблюдается при попытке изменить направление оси. Все вращающиеся тела, например маховые колеса двигателей, стремятся повернуть свои оси по направлению к Полярной звезде.

A 1

экватор

Рис.3.

Тысячелетиями люди удивлялись чудесным свойствам магнита, но не могли разгадать его тайну, так как не знали законов волчка и строение атома.

Первое научное сочинение о магнетизме принадлежит английскому врачу Гильберту, написавшему в 1600 г. книгу «О магните, магнитных телах и большом магните—Земле». Здесь впервые уточняется понятие полюсов магнита, а также делается попытка понять строение магнита: если разделить магнит на части, то получится множество маленьких магнитов. Следовательно, магнит состоит из множества маленьких магнитиков.

Только в 1785 г. французский военный инженер Кулон, используя изобретенныеим крутильные весы, исследовал взаимодействие магнитных полюсов и доказал, что оно подчинено закону обратных квадратов, расстояния.

Однако природа магнита продолжала оставаться таинственной. Только аналогия притяжения и отталкивания магнитных полюсов и электрических зарядов наводила на мысль о родстве этих двух явлений. Лишь после обнаружения Эрстедом на опыте действия электрического тока на магнитную стрелку и уточнения Ампером законов этого, действия мысль о взаимосвязи электричества и магнетизма была подтверждена. Ампер выдвинул теорию, по которой магнит состоит из маленьких, элементарных круговых токов, но круговой ток. как известно, обладает магнитными полюсами (рис. 4). Фарадей и Максвелл разработали учение о магнитном поле.

Рис.4.

Еще Фарадей установил, что все вещества можно разделить. на две группы — парамагнитных и диамагнитных веществ и что нет материалов, безразличных к магнетизму. Правда, магнитные свойства большинства тел очень слабо выражены и для их обнаружения приходится воздействовать очень сильными магнитными полями на маленькие и легкие образцы исследуемых материалов. Подвешивая стержень из висмута между полюсами сильного электромагнита, можно увидеть, что стержень устанавливается перпендикулярно направлению линий индукции магнитного поля, тогда как стержень из алюминия располагается параллельно этим линиям. Висмут диамагнитен, алюминий парамагнитен (в переводе с греческого пара — значит вдоль, диа — поперек, через).

Лишь в наши дни явления диа- и парамагнетизма получили свое объяснение в электронной теории. Начнем с диамагнетизма. Его происхождение связано с движением электронов вокруг ядра атома по орбите (назовем это движение орбитальным). Электрон, обращающийся вокруг ядра, можно уподобить волчку, и подобно тому как поле тяготения вызывает прецессию волчка, противодействующую силе тяжести, так внешнее магнитное поле вызывает прецессию вращающегося вокруг ядра электрона, противодействующую магнитному полю. Так как в любом атоме любого вещества происходит орбитальное движение электронов, то диамагнетизм свойствен всем видам вещества. Но диамагнитные свойства очень слабы и во многих случаях они перекрываются парамагнитными свойствами. От чего же зависят парамагнитные свойства? Дело в том, что, кроме орбитального движения, электронам присуще еще и вращательное движение вокруг их собственной оси. Для наглядности принято сравнивать движение электрона вокруг собственной оси с движением Земли вокруг оси (при одновременном ее движении по орбите вокруг Солнца). Таким образом, электрон уподобляется волчку, и его движение получило название «спин» (от английского глагола tospin — запускать волчок). Надо при этом иметь в виду, что это всего лишь полезный, наглядный образ. Современная физика отказалась от представления об электроне, как о каком-то вращающемся шарике, однако спин все-таки существует, и мы будем пользоваться этим наглядным образом электрона-волчка, обладающего магнитными свойствами.

В зависимости от направления вращения условно различают положительный спин и отрицательный. Два спина с противоположными знаками друг друга «нейтрализуют» (рис. 5).

N N

S S

Рис.5.

Если каждому электрону с положительным спином соответствует в атоме электрон с отрицательным спином, то магнитные свойства, зависящие от спинов, нейтрализуются и остается лишь магнетизм, зависящий от орбитального движения электронов. Вещества из таких атомов диамагнитны.