Учебник по физике для поступающих в ВУЗ /Экзаменационные вопросы по физике (2006-2007)/

В целом барион – цветонейтрален.

Мезоны, как и все адроны, цветонейральны.

С помощью определенной комбинации разноцветных кварков можно построить любой адрон. Существует 6 кварков и 6 антикварков, каждый из них может иметь по три цвета.

Полное число кварков - 36

Фундаментальные частицы

В настоящее время фундаментальными частицами считаются кварки и лептоны.

Кварки – фундаментальные частицы, участвующие в сильном взаимодействии

Лептоны – фундаментальные частицы , не участвующие в сильном взаимодействии.

Лептонов и антилептонов - 12

Все фундаментальные частицы являются фермионами.

Учитывая, что известно 6 кварков и 6 лептонов, можно говорить о кварко-лептонной симметрии мира. Лептоны и кварки образуют начальный структурный уровень организации материи.

Окружающая нас Вселенная состоит из 48 фундаментальных частиц.

Соответствующие пары кварков и лептонов образуют три поколения фундаментальных частиц.

Все стабильные структуры окружающего низкотемпературного мира состоят из фундаментальных частиц первого поколения: двух стабильных лептонов (электрона и нейтрино) и двух кварков (u и d)

При более высоких температурах и больших энергиях существуют второе и третье поколения нестабильных частиц, которые рождались на ранних этапах возникновения горячей Вселенной. В настоящее время такие частицы возникают в результате сильных и слабых взаимодействий в мощных ускорителях заряженных частиц.

Взаимодействие кварков. Глюоны

Сильное взаимодействие между кварками осуществляется при обмене глюонами (англ. glue – клей)

Глюон – бозон со спином 1, переносчик сильного взаимодействия.

Глюон электрически нейтрален и не имеет массы покоя.

Фотон, являясь переносчиком электромагнитного излучения, не переносит заряд.

Глюон переносит цветовой заряд: цвет-антицвет.

Полное число глюонов – 8 (6 с цветовым зарядом, 2 бесцветных)

Общая закономерность в систематике элементарных частиц заключается в том, что все фундаментальные частицы (48) являются фермионами, а все переносчики взаимодействия – бозонами (13)

Поглощение или излучение глюона, несущего цветовой заряд, изменяет цвет кварка, но не его аромат. Обмениваясь глюонами, кварки как бы меняются местами, происходит цветовой обмен.

Цветовой обмен кварков показан на диаграмме Фейнмана.

При всех ядерных распадах, идущих через слабое взаимодействие, изменяется аромат кварков.

Цветовой заряд кварка при слабом взаимодействии не изменяется.

Теория элементарных частиц в настоящее время не завершена и активно разрабатывается чтобы глубже понять природу фундаментальных частиц, пространства и времени.

(См.ниже «Фундаментальные взаимодействия»)

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ (уч.10кл.стр.9-16)

Фундаментальные взаимодействия

Виды фундаментальных взаимодействий

Радиус действия фундаментального взаимодействия

Взаимодействие как связь структур вещества

Слабое взаимодействие

Электромагнитное взаимодействие

Гравитационное взаимодействие

Фундаментальные взаимодействия – взаимодействия, которые не могут быть сведены к другим, более простым взаимодействиям.

Все процессы и явления происходят в результате этих взаимодействий.

Всего различают 4 вида фундаментальных (несводимых к другим) взаимодействия:

- гравитационное

- электромагнитное

- слабое

- сильное.

Электромагнитное взаимодействие объясняется обменом виртуальными фотонами (Из неопределенности Гейзенберга следует, что за небольшое время электрон за счет своей внутренней энергии может выпустить квант, и возместить потерю энергии захватом такого же. Испущенный квант поглощается другим, таким образом обеспечивая взаимодействие.)

Электромагнитное взаимодействие связывает между собой только заряженные частицы.

Cильное взаимодействие – обменом глюонами (спин 1, масса 0, переносят "цветовой" кварковый заряд)

Сильное взаимодействие определяет связи только между адронами.

Слабое взаимодействие – обменом векторными бозонами.

Слабое взаимодействие присуще всем частицам, кроме фотона.

Гравитационное взаимодействие не объясняется, но кванты гравитационного поля теоретически должны иметь массу 0, спин 2.

Гравитационное взаимодействие универсально: в нем участвуют все элементарные частицы.

Важнейшей характеристикой фундаментального взаимодействия является радиус действия.

Радиус действия – максимальное расстояние между частицами, за пределами которого взаимодействием можно пренебречь.

При малом радиусе действия взаимодействие называют короткодействующим, при большом – дальнодействующим.

Сильное и слабое взаимодействия являются короткодействующими.

Их интенсивность очень быстро убывает с расстоянием.

Электромагнитное и гравитационное взаимодействия являются дальнодействующими. Они медленно убывают с расстоянием и не имеют конечного радиуса действия.

В атомном ядре связь протонов и нейтронов обуславливает сильное взаимодействие. Оно обеспечивает исключительную прочность и стабильность ядра.

Слабое взаимодействие в миллион раз менее интенсивно, чем сильное. Оно действует между большинством элементарных частиц, находящихся друг от друга на расстоянии 10-17м.

Слабым взаимодействием определяется радиоактивный распад, реакции термоядерного синтеза на Солнце.

Электромагнитное взаимодействие определяет структуру вещества за пределами радиуса действия сильного взаимодействия. Оно связывает электроны и ядра в атомах и молекулах, объединяет атомы и молекулы в вещества, определяет химические и биологические процессы.

Электромагнитное взаимодействие не оказывает существенного влияния на движение макроскопических тел большой массы, так как те электрический нейтральны.

Гравитационное взаимодействие прямо пропорционально массам взаимодействующих тел и потому наиболее сильно проявляется между макроскопическими телами. Из-за малой массы микрочастиц оно несущественно в процессах микромира.

Существует теория «великого объединения», согласно которой слабое, сильное и электромагнитное взаимодействия объединены и существует всего два типа взаимодействия : объединенное и гравитационное.

Не исключено, что все четыре взаимодействия являются проявлениями единого взаимодействия.

МЕТОДЫ НАУЧНОГО ПОЗНАНИЯ И ФИЗИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА

ЭКСПЕРИМЕНТ И ТЕОРИЯ В ПРОЦЕССЕ ПОЗНАНИЯ МИРА(уч.10кл.стр.4-7)

Возникновение физики. Основоположники

Определение физики, как науки

Диапазон восприятий органов чувств человека

Органы чувств в процессе познания

Особенности научного эксперимента

Физический закон

Научная гипотеза

Научная теория

Роль эксперимента в теории

Фундаментальные физические теории и их особенности

Физика, как экспериментальная наука, возникла из астрономии, фиксировавшей закономерность и повторяемость астрономических явлений.

Астрономы фиксировали и классифицировали данные своих наблюдений и, что особенно важно, проводили измерения. На результатах измерений строились количественные объяснения закономерностей движения небесных тел.

Начало физике положил итальянский ученый Галилео Галилей, поставивший первые физические эксперименты и предложивший теоретическое объяснение движения тел.

До него все основывалось на чисто философских выводах и было описательным.

Физика – наука о наиболее общих и фундаментальных закономерностях, определяющих структуру и эволюцию материального мира.

Физика, как и любая другая наука, основывается на количественных наблюдениях.

Важно не просто наблюдать и фиксировать события, но и производить измерения для получения количественных соотношений между физическими величинами. Это важно для научного объяснения тех или иных закономерностей природы.

Органы чувств (осязание, вкус, обоняние, слух, зрение) ограничивают возможности познания человеком природы явлений из-за сравнительного узкого диапазона воспринимаемой ими информации.

Повседневный опыт оказывается недостаточным при изучении явлений, характеризуемых пространственными размерами и временными интервалами, недоступными для непосредственного наблюдения.

В этих условиях дополнительную информацию можно получить лишь с помощью экспериментальных установок, существенно расширяющих диапазон принимаемых информационных сигналов.

Суть любого научного эксперимента состоит в наблюдении и получении данных, его характеризующих.

Классификация и анализ экспериментальных данных выявляют характер изменения наблюдаемых величин. Результаты таких исследований формулируются в виде определенных закономерностей

Физический закон – описание соотношений в природе, проявляющихся при определенных условиях в эксперименте.

Особая ценность получаемого из опыта закона состоит в том, что с его помощью можно описать не только изучаемое явление, но и ряд других явлений и экспериментов. Сравнительно небольшое число основных фундаментальных физических законно достаточно для описания многих природных явлений.

Научная гипотеза является предположением о том, что существует связь между известным и вновь объясняемым явлением.

Научная теория содержит постулаты, определяющие наблюдаемые явления.

Любая физическая теория является некоторым приближением к реальности.

Результаты теории постоянно проверяются или опровергаются экспериментом, являющимся критерием правильности теории.

Даже временное совпадение теории с экспериментом не означает ее абсолютной правильности.

Расхождение теории и эксперимента приводит к совершенствованию старой или созданию принципиально новой теории, дающей более глубокое понимание физической реальности.

Особенно ценно в физике считается теория, предсказывающая новые экспериментальные эффекты, которые не могут быть объяснены в рамках прежних теорий.

Пример – общая теория относительности Альберта Эйнштейна.

Особенностью фундаментальных физических теорий является их преемственность.

Более общая теория включает частные, уже известные законы и определяет границы применимости предыдущих теорий.

Например: механика Ньютона и теория относительности Эйнштейна.

Ни одна физическая теория не может быть признана окончательной и верной навсегда. Всегда существует вероятность, что новые наблюдения и эксперименты потребуют уточнения теории.

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЯВЛЕНИЙ И ОБЪЕКТОВ ПРИРОДЫ (уч.10кл.стр.7-9)

Модельные приближения

Определение модели в физике

Пределы применимости физической теории

Изучение сложных явлений природы в полном объеме часто невозможно без введения упрощающих предположений. В таком случае полученные теорией результаты могут служить в качестве приближения к реальной картине явления.

Подобные приближения часто называют модельными.

Модель в физике – упрощенная версия физической системы (процесса), сохраняющая ее (его) главные черты

Созданная идеализированная модель явления должна содержать наиболее важные черты системы, пренебрегая не самыми существенными ее характеристиками.

Границы применения теории определяются физическими упрощающими предположениями, сделанными при постановке задачи и в процессе вывода соотношений

Границы применимости физической теории определяются пределами применимости используемой модели.

Для описания сложных физических систем используется целый ряд стандартных физических моделей:

- материальная точка

- абсолютно твердое тело

- математический маятник

- абсолютно упругое столкновение

- идеальный проводник

- точечный заряд и т.д.

Любая теория является описанием некоторой модели физической системы, некоторым приближением к реальности и потому в дальнейшем может быть развита и обобщена.

Одни и те же модели могут использоваться для объяснения различных физических явлений.

НАУЧНЫЕ ГИПОТЕЗЫ

ФИЗИЧЕСКИЕ ЗАКОНЫ И ГРАНИЦЫ ИХ ПРИМЕНИМОСТИ(уч.10кл.стр.9-16)

Физический закон, гипотеза, теория (см.выше)

Инварианты

Симметричные системы

Симметрия в пространстве и времени

Однородность пространства

Изотропность пространства

Однородность времени

Физический закон – описание соотношений в природе, проявляющихся при определенных условиях в эксперименте.

Научная теория содержит постулаты, определяющие наблюдаемые явления.

Любая физическая теория является некоторым приближением к реальности.

Наиболее общими фундаментальными законами физики являются законы сохранения физических величин – импульса, энергии, электрического заряда.

Инварианты – постоянные величины, не изменяющиеся в процессе эволюции системы.

Например: полная энергия системы, полный электрический заряд, импульс системы.

Инварианты характерны для геометрически симметричных систем.

Система обладает симметрией, если в результате происходящих в ней изменений какая-то характеристика системы остается постоянной (инвариантной)

Наличие постоянных физических величин в окружающем мире отражает симметрию пространства и времени.

Физическое пространство и время характеризуют три основных типа симметрии:

- однородность пространства

- изотропность пространства

- однородность времени

Однородность пространства означает эквивалентность (равноправие) всех точек физического пространства, т.е. параллельный сдвиг физической системы в любом направлении не влияет на характер протекающих в ней процессов.

Изотропность пространства соответствует эквивалентности всех направлений в пространстве и симметрии физической системы относительно ее произвольного поворота, который не влияет на процессы, протекающие в системе.

Однородность времени отражает симметрию по отношению к сдвигу времени, не влияющему на характер процессов в физической системе, т.е. эквивалентность всех моментов времени.

Гипотеза о том, что наиболее общие фундаментальные законы сохранения в физике отражают симметрию, содержащуюся в физических явлениях может быть сформулирована следующим образом:

Каждому типу непрерывной симметрии пространства и времени соответствует закон сохранения определенной физической величины.

Возможно обратное утверждение:

Каждый закон сохранения отражает определенный тип непрерывной симметрии пространства и времени.