Квант

50

Средние разнообразных явлений различной физической природы нередко можно встретить положие явления, обнаруживающие одинаковые признаки и закономерности. В таких случаях говорят о физических аналогиях, или аналогичных (то есть положих) системах. Физические аналогии, существующие между электрическими, механическими, акустическими и другими системами, давно с успехом использоваются при исследовании и расчетах. Методы, основанные на применении аналогии, в ряде случаев оказываются весом плодотворными при решении задач. Они позволяют сводить решение некоторых задач к решении других (уже известных) задач (зачастую из других раздела физики).

Например, нельзя пройти mismo аналогии между законом всемирного тяготения и законом Кулона.

Выражения для силы тяготения между двумя материаловми точками с массами MM и mm и для силы электросатического взаимодействия двух точных зарядов QQ и qq имеют вид

FT=γMmr2;F3.1=14πε0Qqr2.F_T = \gamma \frac{Mm}{r^2}; \quad F_{3.1} = \frac{1}{4\pi\varepsilon_0} \frac{Qq}{r^2}.

Здесь γ\gamma — гравиитонная постоянная, ε0\varepsilon_0 — электрическая постоянная, rr — расстояние между взаимодействующими телами.

Поскольку силы выражаются похожими формулами (в общих случаях обратно пропорциональны квадрату расстояния), движение материалов точки в гравиитонном поле (в поле тяготения) и движение заряженного тела в поле тяготного заряда описываются одинаковыми уравнениями. Правда, есть и отличие. Гравитационные силы всегда стремятся слизить тела (прияжение тела), а электрические силы в зависимости от знаков взаимодействующих зарядов могут быть как прияжение, так и отталкивание.

Понимание аналогии между законом всемирного тяготения и законом Кулона.

Выражения для силы тяготения между двумя материаловми точками с массами MM и mm и для силы электросатического взаимодействия двух точных зарядов QQ и qq имеют вид

FT=γMmr2;F3.1=14πε0Qqr2.F_T = \gamma \frac{Mm}{r^2}; \quad F_{3.1} = \frac{1}{4\pi\varepsilon_0} \frac{Qq}{r^2}.

Здесь γ\gamma — гравиитонная постоянная, ε0\varepsilon_0 — электрическая постоянная, rr — расстояние между взаимодействующими телами.

Поскольку силы выражаются похожими формулами (в общих случаях обратно пропорциональны квадрату расстояния), движение материалов точки в гравиитонном поле (в поле тяготения) и движение заряженного тела в поле тяготного заряда описываются одинаковыми уравнениями. Правда, есть и отличие. Гравитационные силы всегда стремятся слизить тела (прияжение тела), а электрические силы в зависимости от знаков взаимодействующих зарядов могут быть как прияжение, так и отталкивание.

Понимание аналогии между законом всемирного тяготения и законом Кулона.

Выражения для силы тяготения между двумя Materialsми точками с массами MM и mm и для силы электросатического взаимодействия двух точных зарядов QQ и qq имеют вид

FT=γMmr2;F3.1=14πε0Qqr2.F_T = \gamma \frac{Mm}{r^2}; \quad F_{3.1} = \frac{1}{4\pi\varepsilon_0} \frac{Qq}{r^2}.

Здесь γ\gamma — гравиитонная постоянная, ε0\varepsilon_0 — электрическая постоянная, rr — расстояние между взаимодействующими телами.

Поскольку силы выражаются похожими формулами (в общих случаях обратно пропорциональны квадрату расстояния), движение Materialsми точки в гравиитонном поле (в поле тяготения) и движение заряженного тела в поле тяготного заряда описываются одинаковыми уравнениями. Правда, есть и отличие. Гравитационные силы в связи с принципом оказываться отрицательной. (Напомним, что потенциальная энергия полагается равной нулю при бесконечном большом rr.) Посленим выражением (для гравиитонного потенциальала) удобно пользоваться при решении многох задач из области космической физики (например, задача о вычислении второй космической скорости, задачи о маневрах космических кораблей и т.п.).

51

Приведем еще один пример физической аналоги между механической и электрической системами. Процессы, произходящие в электрическом колебательном контуре (рис. 1), аналогичны колебаням грузика наружные.

Эта аналogy подробно рассматривается в школьном учебнике (см. учебное пособие для 10 класса средней школы). Системы являются аналогичными потому, что явления, произходящие в них, описываются одинаковыми математическими соотношениями. Второй закон Ньютона для груза наружные и закон Ома для колебательного контура записывают одинаковым образом:

mΔvΔt=−kx,LΔiΔt=−1Cq,m \frac{\Delta v}{\Delta t} = -kx, \quad L \frac{\Delta i}{\Delta t} = -\frac{1}{C} q,

где v=ΔxΔtv = \frac{\Delta x}{\Delta t} — скорость груза, i=ΔqΔti = \frac{\Delta q}{\Delta t} — ток в контуре.

Отсюда видно, что масса груза mm может быть сопоставлена с индуктивностью катушки LL, жесткость пружины kk — с обратной величины емкости 1C\frac{1}{C}. Аналогия этих двух систем сохраняет и при наличии расс挛ия энергии: коэффициент вззкого трения β\beta при небольших скоростях движения тела в жидкости или газе аналогичен электрическому сопротивлению RR.

Рассмотрим теперь несколько конкретных задач, решения которых осуществлено упрощаютя, если воспользоваться методом аналоги.

Задание 1. Убразная рубка частично заполнена жидкостью. Сечение рубки вздед одинаково; общая длина заполненной части рубки равна 1. Определить период колебаний уровня жидкости в макой системе.

Попытаемся проверить аналоги с известной задачей о колебаниях груза, подвешенного наружне, и таким образом найти период колебаний данной колебательной системы.

Пусть уровень жидкости в одном из колен попизился на xx, а в другом, соответствующего, повышения на xx (см. рис. 2), тогда разность уровней будет равна 2x2x, и на жидкость в левом колене будет действовать некомпенсированная сила тяжестки столбца жидкости высотой 2x2x:

F=−2Sρgx.F = -2S\rho gx.

Здесь SS — площадь сечения рубки, ρ\rho — плотность жидкости. Знак минус в этой формуле означает, что сила FF стремится вернуть систему в положение равновесия (как и в случае груза наружнее). Величина 2Sρg2S\rho g, постоянная для данной системы, соответствует жесткости пружины kk. Таким образом, движение жидкости происходит под действием квазинупругой *) сны. Аналогия с задачой:

*) Так принято назвать силы неупругого произхождения, изменяющиеся по тому же закону, что и упругая сны пружины: F=−kxF = -kx.

Рис. 1. Этный колебательные системы физических аналогичных.

Рис. 2. Еще одна колебательная система.

52

Чей о колебании груза наружне становится оченьной. Используя формулу для перiodа TT колебаний груза массы mm наружне, получаем:

T=2πmk=2πSlρ2Sρg=2πl2g.T = 2\pi \sqrt{\frac{m}{k}} = 2\pi \sqrt{\frac{Sl\rho}{2S\rho g}} = 2\pi \sqrt{\frac{l}{2g}}.

Тепер мы сформилируем несколько задач из различных разделов физики и попробуем понять аналогию между ними.

Задача 2. Определить работу, затраченную на деформацию пружины жесткости kk, если ее удлинение (считая от положения равновесия нерастянутой пружины) изменилось от x1x_1 до x2x_2.

Задача 3. Какую работу надо затранить, чтобы изменить загрязнодатель конденсатора emкости CC от значения q1q_1 до значения q2q_2?

Задача 4. Один mole идеально его раза расширяется при нагревании mak, что объем связыван с температурой по закону T=αV2T = \alpha V^2, где α\alpha — некоморяя постоянная величины. Какую работу совершит газ в этом процессе при изменении его температуры от T1T_1 до T2T_2?

Системы, о которых идет речь в этих задачах, изображены на рисунке 3.

Задачи являются аналогичными, поскольку во всех трех случаях мы сталиваемся с одинаковыми закономерностями. Разберемся в этом более подробно.

В задаче 2 нужно найти работу по деформации пружины. Эту работу можно определить графическим методом. Работа на малом участке пути Δx\Delta x (т. е. на таком участке, что силу F=kxF = kx можно считать постоянной) есть:

ΔA=FΔx=kxΔx.\Delta A = F\Delta x = kx\Delta x.

Значит, полная работа AA при изменении координат от x1x_1 до x2x_2 равна затрихованной площади на рисунке 4, т. е.

A=k2(x22−x12).A = \frac{k}{2} \left( x_2^2 - x_1^2 \right).

Напомним, что величины kx22\frac{kx^2}{2} есть потенциальная энергия Π\Pi упруго деформированной пружины. Зная выражение для этой энергии, мы могли бы сразу написать формулу для работы (A=ΔΠA = \Delta \Pi). Но мы хотим здесь убедиться в том, что подобная ситuation возникнет и в других физических аналогических задачах.

При решении задачи 3 процесс затрачного малыми порцяями Δq\Delta q (такими, что разность потенциальов uu на конденсаторе можно считать постоянной) переносится с одной обкладки на другую. Работа по переносу затрада Δq\Delta q запишется в виде:

ΔA=uΔq=1CqΔq.\Delta A = u\Delta q = \frac{1}{C} q\Delta q.

53

Выражение для ΔA\Delta A имеет тот же вид, что и в задаче 2. По аналогии, не повторяя хода решения, мы можем сразу написать, что полная работа по изменению заряда на конденсаторе равна

A=12C(q22−q12).A = \frac{1}{2C} \left( q_2^2 - q_1^2 \right).

Величина q22C\frac{q^2}{2C} аналогична потенциальной энергии пружины kx22\frac{kx^2}{2} и имеет смысл электрической энергии, запасенной в конденсаторе. (Мы снова встречаемся здесь с аналогией между жесткостью пружины kk и обратной величины emкость 1C\frac{1}{C})

В задаче 4 требуется определить работу газа при расширении. Если взяты достаточно мало изменение объема ΔV\Delta V (такое, чтобы давление в этом элементарном процессе можно было с хорошим приближением считать постоянным), то работа записывается в виде: ΔA=pΔV\Delta A = p\Delta V. Поскольку в нашем случае T=αV2T = \alpha V^2, то изравнения газового состояния получаем:

p=RTV=RαV.p = \frac{RT}{V} = R\alpha V.

Следовательно,

ΔA=RαVΔV.\Delta A = R\alpha V\Delta V.

Теперь аналогия с задачи 2 и 3 становится очевидной, и мы можем записать выражение для полной работы AA при расширении газа:

A=Rα2(V22−V12)=R2(T2−T1).A = \frac{R\alpha}{2} \left( V_2^2 - V_1^2 \right) = \frac{R}{2} \left( T_2 - T_1 \right).

Рассмотрим теперь еще одну, несколько более сложную задачу.

Задача 5. Какое количество теплоты QQ получаем один mole газа при изменении температуры от T1T_1 до T2T_2 (T2>T1T_2 > T_1), если в процессе нагрева газа изменяется обратно пропорционально температуре:

V=βT,V = \frac{\beta}{T},

вде β\beta — некоторая постоянная величины? Теплоемкость газа при постоянном объеме CVC_V задана.

Приое решение этой задачи довольно громоздко. Мы обратим здесь внимание на неожиданную аналогию этой тепловой задачи с известной задачей о потенциальное заряда.

На основании первого закона термодинамики можно записать:

Q=ΔU+A.Q = \Delta U + A.

Здесь ΔU\Delta U — изменение внутренней энергии газа, AA — работа, совершенная газом. Внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры (U∼TU \sim T). Поэтому изменение внутренней энергии в любом процессе, а значит, и в нашем случае, такое же, как и в процессе при постоянном объеме, когда все подвежденное телло идет только на увеличение внутренней энергии:

ΔU=CV(T2−T1).\Delta U = C_V \left( T_2 - T_1 \right).

Таким образом, задача свелась к вычислению работы, произведенной газом. Для отыскания этой работы рассмотрим сначала элементарный процесс, в котором объем газа увеличивается на достаточно малую величины ΔV\Delta V, так что давление остается практическим неизменным. Для элементарной работы мы можем записать:

ΔA=pΔV=RTVΔV=RβΔVV2.\Delta A = p\Delta V = \frac{RT}{V} \Delta V = R\beta \frac{\Delta V}{V^2}.

Нам нужно найти работу газа при изменении его объема от значения V1=βT1V_1 = \frac{\beta}{T_1} до значения V2=βT2V_2 = \frac{\beta}{T_2}. Математически задача свела к операции интегрирования, выходящей за рамки программы средней шкoles. Попробуем, однako, вспомнить, не встречались ли мы с подобной постановкой вопроса в других задачах.

В каких случаях элементарная работа оказывается пропорциональной выражению Δxx2\frac{\Delta x}{x^2}? Очевидно, если력 идет о работе силы, изменяющей обратно пропорционально квадратичному расстоянию, на малом пере-

54

мешенини Δx\Delta x. Мы знаем две силы, изменяющиеся пропорционально 1x2\frac{1}{x^2}:

это сила кулоновского взаимодействия точных зарядов и гравиатизации силы. Таким образом, расматриваемая тепловая задача аналогична задаче о потенциальное электрическое заряд или задаче о вычислении потенциальной энергии тела в гравиатционном поле. Методы решения этих задач изучаются в средней школе.

Вот пример электрической задачи, из которого немедленно следует решение задачи 5.

Задача 6. Наименем емкостЬ сферического конденсатора, образованного двумя концентрическими проводящими сферами R1R_1 и R2R_2.

Емкость конденсатора CC равна относительной заряда конденсатора qq к разности потенциальов Δφ\Delta \varphi между его обкладками. Разность потенциальов (по определению) равна равете, совершаемой электрическими силами при перемещении единичного положительного заряда с одной обкладки на другую.

Пусть внутренняя сфера конденсатора имеет заряд qq, а наружная — заряд −q-q. Тогда электрическое поле в пространстве между сферами совпадает с полем точного заряда qq, расположенного в их общем центре ∗*), и направенно поля

E=q4πε0r2;R1⩽r⩽R2.E = \frac{q}{4\pi\varepsilon_0 r^2}; \quad R_1 \leqslant r \leqslant R_2.

Пусть единный положительный заряд переместился на малое расстояние Δr≪R1\Delta r \ll R_1 (так что поле можно считать однородным). Работа, совершаемая электрическим полем на этом участке пути, есть

ΔA=EΔr=q4πε0Δrr2.\Delta A = E \Delta r = \frac{q}{4\pi\varepsilon_0} \frac{\Delta r}{r^2}.

(*) См., например, статью Л. П. Баканиной и С. М. Козела «Приципс суперпозицини в электростатике», «Квант», 1973, № 3.

Полная работа AA электрических сил при изменении расстояния от R1R_1 до R2R_2 может быть выражена через потенциаль поля точного заряда:

A=−(φ2−φ1)=q4πε0R1−q4πε0R2=q4πε0R2−R1R1R2.A = -(\varphi_2 - \varphi_1) = \frac{q}{4\pi\varepsilon_0 R_1} - \frac{q}{4\pi\varepsilon_0 R_2} = \frac{q}{4\pi\varepsilon_0} \frac{R_2 - R_1}{R_1 R_2}.

Отсюда емкость сфериского конденсатора равна

C=qΔφ=4πε0R1R2R2−R1.C = \frac{q}{\Delta \varphi} = 4\pi\varepsilon_0 \frac{R_1 R_2}{R_2 - R_1}.

Вернемся теперь к задаче 5 и доведем ее решение до конца, воспользоваться результатами задачи 6. Сравним выражение () для емкентарной работы при расширении газа и выражение () для емкентарной работы по перемещению единичного заряд в электростатическом поле. Нетрудно видеть, что эти выражения аналогичны (в задаче 5 переменной величины является. объем газа VV, а в задаче 6 — расстояние rr). Это позволяет сделать вывод о том, что и полные работы AA в обихах служах выражаются одинаковым образом через переменные VV и rr соответственно. Поэтому по аналогии с выражением () можно записать выражение для работы газа при изменении его объема от V1V_1 до V2V_2:

A=RβV2−V1V1V2.A = R \beta \frac{V_2 - V_1}{V_1 V_2}.

Принимая во внимание, что V=βTV = \frac{\beta}{T}, получим:

A=RV2β−V1βV1βV2β=R1T2−1T11T11T2=−R(T2−T1).A = R \frac{\frac{V_2}{\beta} - \frac{V_1}{\beta}}{\frac{V_1}{\beta} \frac{V_2}{\beta}} = R \frac{\frac{1}{T_2} - \frac{1}{T_1}}{\frac{1}{T_1} \frac{1}{T_2}} = -R(T_2 - T_1).

Знак минус в этой формуле определяется тем, что в рассматриваемом процессе происходит скатание газа (A<0A < 0).

Теперь можно записать окончательный результат решения задачи 5.

55

Рис. 5. Каков период колебаний поршня в этой системе?

Количество тепла, которое нужно собщить одному молю газа, чтобы изменить его температуру от T1T_1 до T2T_2, равно

Q=(CV−R)(T2−T1).Q = (C_V - R) (T_2 - T_1).

В этой статье мы хотели проиллюстрировать значение физических аналогий. Следует, однako, иметь в виду, что аналоги бывают разные. На рисунке 1 изображены системы, между которых имеет глубокая физическая аналогия. Аналогичными оказываются процессы, протекающие в этих двух физических системах. Аналогии такого рода называются динамическими. Динамическими системы описываются одинаковыми уравнениями движения. Роль таких системы в наuke особенно значительная. Другим примером динамической аналоги является задача о движении спутников Земли и занате?

Рис. 6. Надо придумать механическую аналогию этой электрической цепи.