101 ключевая идея: Физика

бройлевской длиной волны λ с помощью уравнения X = h/ρ, где h — постоянная Планка, ρ — импульс частицы.

Свидетельства, подтверждающие волновые свойства частиц, впервые получил в 1927 году Джордж Томсон, пропуская узкий пучок электронов, движущихся с одинаковой скоростью, через регулярную решетку атомов в тонком кристалле. Оказалось, что электроны в решетке подвергались дифракции и выходили из нее строго под определенными углами. Для измерения угла отклонения каждого дифрагированного луча применялась фотопленка.

Электроны отражаются каждым слоем атомов; с прилегающих слоев электроны взаимно усиливают отклонение в строго определенных направлениях, соответствующих рисунку дифракции. При этом величина отклонения между отраженными волнами от прилегающих слоев должна измеряться целыми числами де- бройлевской длины волны. Поскольку величина отклонения равна 2dsin θ/2, где d — расстояние между слоями, θ — угол отклонения, то угол дифракции 2 d sin θ /2 = пк, где n — целое число. Измерив угол дифракции каждого дифрагированного луча, можно вычислить длину волны, если известно d. Значение длины волны можно проверить исходя из разности потенциалов анода V электронной пушки при помощи уравнения λ = h/(2meV)^1/2, где m — масса электрона, е — заряд электрона. Это уравнение получается путем преобразования следующих равенств: анода пушки eV = ¹/₂тv², импульса mv = (2meV)^1/2 и де-бройлевского X = h/mv.

См. также статью «Квантовая теория».

КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ

Коэффициентом полезного действия (КПД) устройства называется отношение энергии, выдаваемой устройством, к энергии, получаемой этим устройством, или отношение полезной энергии к потребляемой. КПД можно измерять в процентах, умножив этот показатель на 100. Чтобы какое-либо устройство или механизм произвели полезную работу, нужна поступившая к ним энергия. Таким образом, КПД — часть энергии, потраченной на полезную работу. Тепловой двигатель приводит в действие механизмы, получая тепловую энергию от сгорания топлива. Трансформатор генерирует электрический ток определенного напряжения, будучи подключенным к источнику электрического тока другого напряжения. Энергия, не потраченная на полезную работу, пропадает, ее невозможно вернуть и потратить на что-то полезное. На национальном уровне около 20 % производимой энергии тратится зря вследствие неэффективности электростанций, при ее передаче и при преобразовании одного вида энергии в другой.

Тепловым называется двигатель, работающий между резервуарами с высокой и низкой температурой. Тепло из высокотемпературного резервуара используется для выполнения полезной работы. Не все оно может быть преобразовано в работу, так как часть его поступает в низкотемпературный резервуар, поскольку двигатель работает за счет разности температур. КПД двигателя равен W/Q₁ где W — работа, выполненная двигателем с помощью энергии Q₁ полученной из высокотемпературного резервуара. Так как W = Q₁ — Q₂, где Q₂ — энергия, поступившая в низкотемпературный резервуар, то КПД двигателя равен (Q₁ — Q₂)/Q₁- КПД всегда меньше единицы, поскольку Q₂ — величина не нулевая.

Наиболее эффективным тепловым двигателем является модель идеального реверсивного[2] двигателя. По определению, КПД реверсивного двигателя (Т₁ — Т₂)/Т₁ где Т₁ — температура высокотемпературного резервуара, Т₂ — температура низкотемпературного резервуара.

См. также статьи «Энергия и мощность», «Энтропия».

КРАСНОЕ СМЕЩЕНИЕ

Эффектом Допплера называется изменение наблюдаемой частоты волн, источник которых движется относительно наблюдателя. Такое изменение частоты также называется допплеровским сдвигом. Эффект Допплера применяется в различных областях, в частности в радио — и гидролокации, астрономии.

Представьте себе небольшой движущийся источник, испускающий волны с постоянной частотой. Волны, распространяющиеся в направлении перемещения, как бы сжимаются, а распространяющиеся в направлении, противоположном перемещению, как бы отстают от источника. Наблюдатель, находящийся перед источником, будет регистрировать волны с меньшей длиной волны, а находящийся сзади источника — с большей длиной волны.

Для звуковых волн наблюдаемая частота равна отношению скорости звуковых волн к длине волны.

Наблюдатель, находящийся перед источником, будет слышать звук с большей частотой при условии, что расстояние между ним и источником сокращается. Наблюдатель, находящийся сзади источника, будет слышать звук с меньшей частотой при условии, что расстояние между ним и источником увеличивается.

Для электромагнитных волн наблюдаемая частота равна отношению скорости света к длине волны. Скорость света всегда одна и та же для всех наблюдателей. Если источник удаляется от последнего, то длина волны увеличивается, т. е. смещается в сторону красной части спектра — наблюдается красное смещение. Если источник приближается к наблюдателю, то длина волны уменьшается, т. е. смещается в сторону синей части спектра — наблюдается синее смещение. Если его измерить, можно вычислить скорость источника света по следующей формуле: отношение скорости источника к скорости света равно отношению смещения длины волны к длине волны покоящегося источника.

См. также статьи «Волновое движение 1 и 2», «Закон Хаббла», «Электромагнитные волны».

КРУГОВОЕ ДВИЖЕНИЕ

При круговом движении тело постоянно меняет направление движения. Поскольку скорость — величина векторная, она также не постоянна. Чтобы тело двигалось по окружности, нужно применить силу, называемую центростремительной. Равномерным круговым движением называют круговое движение с постоянной численной величиной скорости.

Центростремительная сила направлена к центру, при круговом движении она перпендикулярна направлению движения, которое происходит по касательной к окружности. Траекторией движения тела в данном случае служит окружность с постоянным радиусом. При этом тело не перемещается в направлении центробежной силы.

Время Т, за которое тело совершает полный оборот, равно отношению длины окружности к его скорости: Т = 2πr/v, где r — радиус окружности.