Цель: выяснить характер зависимости между энергией, выделяемой на участке цепи, электрическим током и сопротивлением этого участка цепи. ознакомить учащихся с законом Джоуля-Ленца. Побуждать учащихся к преодолению трудностей в процессе умственной деятельности, воспитать интерес к физике.

Демонстрации: механическая работа электрического тока; измерение мощности в электрической цепи с помощью амперметра и вольтметра.

Ход  урока

I. Организационный момент

II. Проверка знаний

Фронтальный опрос

III. Изучение нового материала

План изложения нового материала:

1. Работа электрического тока как характеристика процесса  вращения электрической энергии.

2. Расчет работы электрического тока.

3. Мощность электрического тока.

4. Измерение работы и мощности электрического тока.

5. Тепловое действие электрического тока.

6. Закон Джоуля-Ленца.

1. Изучение нового материала целесообразно начать с повторения поня­тий энергии и механической работы, с которыми учащиеся знакомились при изучении механики в 7 классе.

Учитель задает вопрос:

–   Что понимают под механической энергией и работой?

В качестве примера можно рассмотреть падение тела в поле тяготения Зем­ли, приведя следующие рассуждения: если тело массой т падает с высоты А, по высоты Иг, то при этом сила тяжести совершает работу А = mg(h1 – h₂). Эта работа равна изменению потенциальной энергии тела: А = Е_т – Е_т. Но общая механическая энергия тела не изменилась, она -стала равной сумме потенциальной и кинетической энергии тела на высоте Л;. Отсюда вывод: работа характеризует изменение энергии или превращение одного вида энергии в другой. В данном случае происходит превращение одного вида механической энергии (потенциальной) в механическую энергию другого вида (кинетическую).

Далее учитель сообщает, что работа электрического тока также харак­теризует процесс превращения энергии одного вида (энергии электриче­ского поля) в энергию другого вида (внутреннюю энергию тел, в механиче­скую и другие виды энергии).

При введении понятия работы электрического тока можно воспользо­ваться опытами, непосредственно демонстрирующими механическую ра­боту электрического тока (подъем груза электродвигателем). Для демонст­рации собирают установку из электродвигателя, последовательно с кото­рым включают реостат и демонстрационный амперметр.

Учащиеся на опыте видят, что электрический ток совершает работу, следовательно, электрическая энергия превращается в механическую.

–   Какие еще явления показывают, что электрический ток может со­вершать работу?

2.   Чтобы установить, от чего зависит работа электрического тока, мож­но воспользоваться установкой с лампой накаливания. Изменяя сопротив­ление реостата, демонстрируется различное свечение лампы. Одновремен­но замеряется значение силы тока и напряжение в этих случаях. Очевидно, чем ярче светится лампа, тем больше выделяется в ней энергии и, следова­тельно, тем большую работу совершает электрический ток. Следовательно, именно этому случаю соответствуют и большие значения силы тока и на­пряжения. Опыт дает возможность качественно установить, что:

Работа электрического тока пропорциональна силе тока , на­пряжению , к времени прохождения тока

А = IUt. Формулу работы можно получить и из известного учащимся выражения

За единицу работы электрического тока принят Джоуль. Джоуль равен работе, выполняемой электрическим током силой 1 А при напряжении 1 В за 1 с:

3.  Мощность электрического тока. С понятием мощности учащиеся уже встречались при изучении механики. Поэтому вначале можно повторить определение мощности и единицы ее измерения.  –   Что понимают под механической мощностью? (Ответы учеников.) Чтобы найти среднюю мощность электрического тока, надо его работу разделить на время:

За единицу мощности принят ватт (Вт):

1 Вт = 1 В  1 А.

4. Для измерения работы электрического тока нужен прибор, учиты­вающий напряжение, силу тока и время прохождения тока. Таким прибо­ром является электрический счетчик. Электрические счетчики устанав­ливаются везде, где используется электрическая энергия.

Для измерения мощности электрического тока  используются ватт­метры, учитывающие напряжение и силу тока. Измерить мощность можно и с помощью вольтметра и амперметра. Чтобы вычислить искомую мощ­ность, умножают напряжение на силу тока, найденные по показаниям при­боров.

5. При введении понятия работы электрического тока мы уже пользова­лись тепловым действием тока (нагревание проводников). Собираем элек­трическую цепь, в которую последовательно включаем лампу накаливания и реостат. Для измерения силы тока и напряжения на лампе применяем де­монстрационные амперметр и вольтметр.

Учащимся уже известно, что в проводнике при протекании тока проис­ходит превращение электрической энергии во внутреннюю, и проводник

нагревается.

Почему при прохождении электрического тока проводник на­гревается?

Они неоднократно наблюдали тепловое действие тока в бытовых при­борах. На опыте с лампой накаливания учащиеся убедились, что накал лампы возрастал при увеличении тока. Но нагревание проводников зависит не только от силы тока, но и от сопротивления проводников.

6. Закон Джоуля-Ленца. Учащиеся знают уже формулу для работы Q = Ult. Кроме того, им известно, что в неподвижных проводниках вся ра­бота тока идет лишь на нагревание проводников, то есть на то, чтобы уве­личить их внутреннюю энергию. Следовательно, количество теплоты

Q = А = Ult.

IV. Решение задач

Домашнее задание.

§ 42

Упражнение 21

Первый закон Ньютона, лень и внутреннее равновесие

Инерция часто описывается как лень объекта. Это может показаться странным, как будто это какая-то неверная персонификация. Под этим утверждением понимается то, что инерция описывает сопротивление объекта изменению его движения. Это связано с первым законом движения Ньютона, который гласит, что объект будет продолжать двигаться с постоянной скоростью (в том числе в состоянии покоя — со скоростью 0), если к объекту не будет приложена внешняя сила.

Первый закон Ньютона часто в просторечии называют фразой: «Объект в состоянии покоя имеет тенденцию оставаться в покое, а объект в движении имеет тенденцию оставаться в движении, если на него не действует внешняя сила». На самом деле первый закон часто называют законом инерции. По сути, это означает, что если результирующая сила, действующая на объект, равна нулю, его состояние движения останется неизменным. Поскольку силы необходимы для того, чтобы вызвать ускорение — изменение состояния движения объекта, — а второй закон диктует, что сила и масса напрямую связаны при постоянном ускорении, отсюда следует, что для изменения состояния движения потребуется более значительная сила. более массивного объекта.
В Древней Греции Аристотель часто описывал движение как желание объекта вернуться на свое «естественное место». Идея инерции является значительным усовершенствованием этой идеи. Аристотель сказал бы, что когда камень подбрасывается в воздух, он возвращается на землю, потому что это «естественное место» камня. Однако, используя идею инерции, камень должен бесконечно продолжать подниматься вверх, если только его движению не препятствует какая-либо сила. Обычно эта сила является результатом действия силы тяжести или трения, которое в случае свободного падения отмечается как сопротивление воздуха.При отсутствии этих препятствий движение объекта навсегда останется неизменным.

Масса, а, следовательно, инерция есть неотъемлемое свойство всей материи. Кулачок внутреннего баланса можно использовать для определения массы объекта, используя свойство инерции. На чашу весов можно поместить груз и привести его в движение, потянув чашу в сторону и отпустив ее. Это приводит кастрюлю в колебательное движение. Чем больше масса в кастрюле, тем дольше период вибрации.Это связано с сопротивлением массы изменению своего движения в крайней левой и крайней правой точках качания.

Хотя период вибрации увеличивается по мере увеличения массы объекта, они не связаны напрямую. На самом деле график зависимости периода от массы выглядит как график зависимости y от √x. Между квадратом периода и массой существует прямая зависимость. На самом деле взаимосвязь может быть выражена формулой, показанной ниже (обратите внимание, что T — это переменная, используемая для представления периода вибрации):

Сравните форму графика периода имасса (нелинейная) в квадрат периода против массы (линейная):

Глубоко задумался: что вообще такое «закон физики»?

В физике одновременно смущает и восхищает то, как много, казалось бы, простых вопросов остаются без ответа. Когда вы слышите вопросы, с которыми сталкиваются физики, вы иногда говорите себе: подождите, вы имеете в виду, что они даже этого не знают? Физику можно определить как предмет, пытающийся понять, почему мир на первый взгляд кажется непостижимо сложным, но при ближайшем рассмотрении подчиняется простым законам.Эти законы, применяемые неоднократно, создают сложность. Исходя из этого определения, можно предположить, что физики, по крайней мере, разобрались в том, что они подразумевают под «законом».

Извините.

Почему природа должна подчиняться законам? Почему эти законы должны быть выражены в терминах математики? Почему они должны быть сформулированы в пределах пространства и времени? Эти вопросы были заданы две недели назад на увлекательном семинаре в Институте периметра, который стал продолжением семинара, проведенного в Университете штата Аризона в декабре 2008 года.Одна из участниц, Сабина Хоссенфельдер, рассказала об этом вчера в Backreaction, одном из самых продуманных блогов по физике. Суть в том, что организаторам лучше начать планировать больше сиквелов, потому что вопросы кажутся такими же неразрешимыми, как и всегда.

Я никогда не был на такой конференции, как этот семинар. Где еще я мог услышать вывод теории квантовой механики, аргумент против многобожия и трюк, чтобы указать направление в неизвестное место, и все это в течение пары часов? Участники представляли собой смесь физиков и академических философов.Эти два сообщества были очень близки во времена Эйнштейна, но затем разошлись. В своей книге Dreams of a Final Theory физик элементарных частиц Стивен Вайнберг посвятил главу, озаглавленную «Против философии», в которой резюмировал презрение физиков его поколения к этому предмету. Но, как я писал в эссе несколько лет назад, времена меняются, в основном потому, что многие физики считают, что их поиск единой теории буксует из-за неспособности продумать философские вопросы.На встречах, где собираются две группы, они кажутся мне вполне совместимыми. Присутствующие философы, как правило, имеют физическую подготовку, а физики, даже если они не могут отличить своего Гегеля от своего Хайдеггера, стремятся учиться.

Главное их отличие – стиль. Физики, как правило, говорят довольно свободно и полагаются на математику, чтобы поддержать их, тогда как философы более дотошны в риторике (иногда до ошибки). Физики также имеют тенденцию прерывать говорящих вопросами рано и часто, не давая философам добраться до сути.«Философы гораздо более цивилизованны, чем физики», — размышлял (физик) Ниайеш Афшорди.

Что действительно делало этот семинар странным, так это то, что, за некоторыми исключениями, в беседах было много утверждений и мало аргументов. По сути, это был трехдневный мозговой штурм, целью которого было спровоцировать и отправить участников домой с новыми идеями, которые они могли бы в конечном итоге внедрить в свою работу, а не сообщить о конкретных результатах. Именно это качество делает написание поста в блоге таким же сложным, как подведение итогов Пруста. Налейте себе чашечку кофе и успокойтесь.

Что такое законы?

Первые несколько ораторов сразу перешли к вопросу о том, что такое законы. Среди них был философ Джон Робертс из Университета Северной Каролины в Чапел-Хилл. (Видео его выступления здесь.) Закон не только описывает закономерности в природе, но и различает закономерности, которые возникают случайно, и те, которые существуют всегда, независимо от особенностей ситуации. То, что это означает, очень сложно понять, и становится еще хуже, когда вы говорите обо всей вселенной.Если вселенная — это все, что есть, как могло быть иначе? Если не могло, то какая разница между случайным паттерном и врожденным?

Робертс сделал обзор некоторых ведущих философских школ, нашел их недостаточными и утверждал, что концепция закона неотделима от того, как физики открывают законы. Их главный инструмент — контролируемый эксперимент, который по самой своей природе ищет закономерности, которые сохраняются в любых конкретных условиях. Признаюсь, я не понимал, как подход Робертса помогает в вопросах, которые нас больше всего волнуют: почему природа структурирована, а не хаотична? Почему закон, извлеченный из одной ситуации (скажем, падающих яблок), работает в несвязанных ситуациях (на орбитах планет)? Но кажется полезным признать, что наши законы, даже если они фиксируют некоторую объективную реальность, обусловлены нашим процессом открытия.

Следующий спикер, физик Марсело Глейзер из Дартмута, высказал аналогичную мысль с точки зрения физики: наука, по его словам, очень зависит от инструментов.Но затем он пошел в другом направлении, утверждая, что окончательная теория — это ложный сон, потому что новые инструменты неизменно означают новые открытия. У Backreaction есть больше комментариев к его выступлению, которые вы можете посмотреть сами, и всегда есть новая книга Глейзера. На протяжении всего семинара участники постоянно возвращались к опасениям, что не может быть окончательной, единой теории, а может быть только лоскутное одеяло из теорий.

Моя собственная реакция заключалась в том, что, хотя полезно предостерегать от цепляния за предвзятые идеи об окончательной теории, Глейзер слишком настойчиво считал стакан физики полупустым.Мы можем многого не знать, но и многое мы знаем, и все, что мы видим, указывает на то, что природа есть управляемая простыми законами. Наблюдатели постоянно делают новые открытия, но новые открытия не означают новых законов. Подавляющую часть того, что они находят, можно понять, используя существующие законы, а исключения возникают в ситуациях, когда законы вступают в противоречие, предполагая, что их согласование также даст объяснение исключениям.

В период вопросов и ответов после выступления Глейзера астрофизик и писательница Жанна Левин из Колумбийского университета справедливо заметила, что, хотя физики часто проводят противопоставление наблюдения и чистого мышления, наш разум формируется физическим миром, поэтому наши мысли также представляют собой косвенную форму наблюдения.

Более поздний оратор, физик Дэвид Вулперт из Исследовательского центра Эймса НАСА, также высказал некоторую осторожность. Основная цель законов состоит в том, чтобы делать надежные прогнозы, но эта цель может быть изначально недостижимой. Используя вариант аргумента, который Курт Гёдель использовал для доказательства своих теорем о неполноте, Вольперт показал, что существуют предсказания, правильность которых физики никогда не могут гарантировать. Одним забавным следствием является «теорема монотеизма»: может быть не более одного всеведущего бога. Если бы их было двое, они могли бы читать мысли друг друга и столкнуться с парадоксами цикличности.Чтобы узнать больше, посмотрите выступление, прочитайте газету или, что еще лучше, перечитайте своего Джона Мильтона.

Как физики выбирают законы и проверяют их?

Философ Крис Сминк из Университета Западного Онтарио поднял вопрос о том, как сформулировать закон всей вселенной. Закон обычно применяется к множеству ситуаций, таких как воспроизводимые эксперименты, но существует только одна вселенная. Но он утверждал, что уникальная вселенная по-прежнему имеет несколько уровней приближения. Физики обычно начинают с грубых предположений об орбитах планет или о поведении частиц и постепенно уточняют их.Каждый из этих шагов уточнения, как предположил Сминк, представляет собой отдельную ситуацию, позволяющую проверить законы. Посмотрите видео здесь.

В период вопросов и ответов английский физик Джулиан Барбур сказал, что люди в любом случае преувеличивают роль воспроизводимых экспериментов в классической физике. На практике одного эксперимента может быть достаточно. Только в квантовой физике повторение становится существенным, потому что квантовая теория вероятностна, а вероятность подразумевает множественность случаев.

Я нашел точки соприкосновения между выступлением Сминка и более поздним выступлением философа Карнеги-Меллона Кевина Келли.Келли пытался объяснить бритву Оккама: принцип, согласно которому лучший закон — это самый простой закон, который соответствует данным. Бритва — одна из тех идей, которые физики используют все время, не задумываясь почему — или заставляет ли она их видеть простоту, которая не обязательно существует. Главный аргумент в пользу того, почему бритва работает, исходит из теории вероятностей и утверждает, что простые теории действительно более верны, чем сложные; В журнале American Scientist в 1991 году была опубликована фантастическая статья, в которой излагался этот случай.Но Келли выдвинул другое объяснение: бритва работает, потому что более простой закон с меньшей вероятностью будет отвергнут, чем сложный. Его можно считать первым шагом в серии последовательных приближений. Возможно, его нужно будет улучшить и дополнить, но вряд ли он будет ошибочным.

Келли сравнила это с указанием направления движения. Предположим, к вам подходит водитель и спрашивает дорогу до места, которое вы не знаете. Вы хотите быть полезными и не признавать свое невежество. Что вы должны сделать? Хитрость заключается в том, чтобы выбрать маршрут, ведущий к наибольшему количеству мест, возможно, ближайшую автостраду или дорогу, ведущую в центр города. Таким образом, у вас есть лучший шанс направить их в правильном направлении и избавить их от необходимости дублировать назад. Келли сказал, что бритва Оккама указывает физикам наилучший путь к правильному закону, даже если она не может выбрать этот закон. Видео его выступления здесь.

Время иллюзорно или реально?

Настоящий фейерверк на семинаре вызвали разногласия по поводу времени — не по поводу того, отстают ли докладчики от графика и прерывают кофе-брейки, а по поводу того, является ли само время производным понятием или фундаментальным.Возникает ли время из чего-то более глубокого или это неотъемлемая часть природного мира? В нашем текущем выпуске философ Крейг Каллендер из Калифорнийского университета Сан-Диего излагает аргументы в пользу первого варианта, частично основанного на идеях Барбура.

Барбур обладает типично английским сдержанным чувством юмора. «Я счастлив отпустить время», — сказал он участникам семинара. «Я сделал это около 40 лет назад». Его речь, которую вы можете посмотреть здесь, была мастерской, хотя и необычной. В нем не излагалась научная аргументация в обычном смысле: куча данных и формул, которые заставят даже самых закоренелых скептиков скрепя сердце принять их.Скорее, Барбур взял нас на прогулку по лесу своего плодородного ума.

Например, в качестве метафоры Вселенной он нарисовал круг (см. фото выше) с 24 красными и синими точками. В окраске была логика: она максимально увеличивала разнообразие цветовых последовательностей по окружности. Если бы вы не знали цвет точки, вы могли бы вывести его, взглянув на все остальные и выяснив, какой цвет максимизирует разнообразие целого. Это напомнило мне одну из тех логических головоломок, когда вы не знаете, какого цвета шляпа у вас на голове, но можете понять это, увидев, какие шляпы носят все остальные.

Вселенная, предположил Барбур, немного похожа на эту. Частицы, составляющие его, не имеют встроенных свойств, таких как пространственное положение. Вместо этого эти свойства возникают из отношений между частицами. Частице приписывается определенное положение в силу того, в каких отношениях она находится со всеми другими компонентами. Он описал, как отношения между частицами могут быть классифицированы геометрически и как затем могут быть получены такие основные понятия, как положение, длина, продолжительность и одновременность.Единственным геометрическим свойством, которое он должен был предположить, а не вывести, были углы между линиями. На самом деле, если подумать, когда вы вообще наблюдаете длину? Вы всегда определяете длину по углам, таким как угол между световыми лучами, падающими на ваши глаза.

Барбур — не единственный физик, утверждающий, что фундаментальные законы природы «конформно инвариантны», что означает, что они не имеют встроенного чувства масштаба, но включают углы. В такой теории, как теория относительности, эти углы представляют причинно-следственные связи.

Основная проблема, с которой я столкнулся во время выступления, заключалась в том, что я не видел, как абстрактные идеи соотносятся с миром, который мы переживаем. Время кажется таким реальным. Как оно возникло? Почему мир устроен совершенно особым образом, необходимым для возникновения времени? Короче говоря, что мы действительно выигрываем, говоря, что время не реально?

Доклады двух других физиков пролили плоть на кости идеи эмерджентного времени. Кевин Кнут из Университета Олбани показал, как можно начать с сети причинно-следственных связей и извлечь из них пространство и время.Для получения более подробной информации прочитайте его статью или просмотрите видео. Филип Гоял из Perimeter показал, что из такой сети можно даже восстановить всю теорию квантовой механики. Его выступление здесь.

Ирония в том, что Барбур раньше был одиноким голосом для этого варианта, но теперь он становится основным мнением. Сейчас более радикально предположить, что время имеет основополагающее значение. Именно это и сделала маловероятная пара физика Ли Смолина из Perimeter и политического философа Роберто Унгера из Гарвардской школы права.Как и Барбур, они представили не аргумент, а манифест.

Смолин не согласился с тем, что он назвал ньютоновской парадигмой, концептуальным разделением природы на два элемента: (а) состояние мира и (б) законы физики. Состояние мира определяется в пространстве. В классической механике, такой как правила игры в бильярд, состояние состоит из положений и скоростей объектов. Законы физики действуют во времени. Они переводят одно состояние в другое.Смолин предположил, что эта схема, хотя и хорошо работает в повседневных ситуациях, выходит из-под контроля, когда применяется ко всей вселенной. Это приводит к выводам, которые он и Унгер назвали абсурдными, например, к «блочной вселенной» — утверждению, что все времена, прошлые и будущие, одинаково реальны. Смотрите их командный разговор здесь.

Самая осязаемая идея, которую я усвоил, состоит в том, что если время реально, а будущее действительно открыто, то законы физики могут измениться сами по себе. Вы можете либо принять законы природы как фиксированные, и в этом случае возникает время, либо принять время как фиксированное, и в этом случае законы природы развиваются. На мой взгляд, это звучит как повторение спорного аргумента, сделанного французским физиком Анри Пуанкаре столетие назад. Смолин и Унгер находят последнюю точку зрения более естественной, но она сталкивается с двумя непосредственными проблемами: какие существуют доказательства того, что законы когда-либо менялись? И если они изменяются, подчиняются ли сами эти изменения законам? Если это так, то вы либо попали в бесконечный регресс законов, мета-законов, мета-мета-законов и так далее, либо вы должны предположить, что некоторые законы действительно фиксированы.

В конечном счете, манифест докажет свою ценность, только если он приведет к конкретизированной теории. На данный момент лучшими попытками являются собственный космологический естественный отбор Смолина, квантовая графографическая модель пространства-времени Фотини Маркопулу и предложение Петра Хоравы об эмерджентном пространстве.

Могут ли черные дыры быть причиной ускорения Вселенной?

К этому моменту моя голова пульсировала глубокими мыслями. Выступление Ниайеш Афшорди принесло облегчение. У него были уравнения! Он привел наблюдения! Он делал прогнозы! Это не говорило мне, что все, что, как я думал, я знал, было неправильным! Все, что он пытался сделать, это объяснить темную энергию.На любой другой конференции это сочли бы устрашающе радикальным. Здесь это было подчеркнуто скромно.

Модель, которую он представил, основывалась на двух умозрительных, но правдоподобных идеях. Во-первых, пространство заполнено невидимой жидкостью — эфиром — как это и предсказывается некоторыми предложенными квантовыми теориями гравитации, такими как теория Хоравы. Во-вторых, черные дыры испускают слабое излучение, как предсказывает почти каждая теория квантовой гравитации. Афшорди подсчитал, что излучение должно нагревать эфир и, подобно доведению до кипения кастрюли с водой, создавать (отрицательное) давление во всем космосе.Такое давление является квинтэссенцией темной энергии и приводит к ускорению космического расширения.

Другими словами, квантовые гравитационные эффекты могут имитировать темную энергию. Эта модель точно объясняет, почему космическое ускорение началось несколько миллиардов лет назад, а не во время Большого взрыва: черным дырам потребовалось некоторое время, чтобы сформироваться и нагреть эфир. Газету стоит прочитать, да и доклад неплохой.

Если вы дочитали до конца этого сообщения в блоге, вы действительно доказали, что являетесь поклонником физики, и я буду рад услышать от вас в разделе комментариев! Вам будет приятно узнать, что я надеюсь пригласить многих из этих исследователей представить свои идеи в печатном журнале в ближайшие годы.

Фотография Джулиана Барбура, сделанная Джорджем Массером

Природа просто ленива? – Научные каракули

Даже Angry Birds использует принцип наименьшего действия! Источник: http://new-to-teaching.blogspot.com.au/

Когда вы идете от своей кровати к холодильнику, чтобы перекусить в полночь, вы действительно хотите идти по пути, который проведет вас через половину Австралии и обратно?

Ответ кажется логичным, не так ли? Нет. Вы пойдете по кратчайшему и прямому маршруту.

Я вернусь к этой идее позже, но помните о ней, пока вы читаете оставшуюся часть этого поста.

Некоторые из самых основных уравнений, которые изучают молодые люди, изучающие физику:

Законы Ньютона (1. Если вы не прикасаетесь к чему-либо, оно останется неподвижным. 2. То, как объект движется, когда вы его толкаете, зависит от того, насколько он тяжелый 3. Каждое действие имеет равную и противоположную реакцию) и уравнения, которые управляют как соотносятся скорость (насколько быстро вы движетесь в одном направлении), смещение (куда вы двинулись с того места, откуда начали) и ускорение (насколько быстро меняется ваша скорость).

Но почему эта математика действительно работает?

Почему что-то, летящее по воздуху, следует той же траектории, что и оно? Оказывается, «потому что так говорят уравнения» — недостаточно хороший ответ.

Путь, по которому движется этот объект, регулируется принципом важности аналитической механики: принципом наименьшего действия. Мы можем определить «действие» (действия) этой конкретной ситуации следующим образом:

Где T — период движения (т.д., сколько времени занимает движение), кинетическая энергия — это энергия движения, потенциальная энергия — это мера вероятности движения чего-либо.

Если бы я увидел человека, прыгающего с вершины утеса (в спокойный океан, с разумной высоты и без острых предметов в воде… или акул):

«Художественное представление» принципа наименьшего действия

Я могу нарисовать несколько «ложных» путей, закрученные красные линии, которые кажутся совершенно нелогичными, и тогда вы можете увидеть, что я также нарисовал «истинный путь» зеленым цветом.Этот «истинный путь» — тот, который, как вы ожидаете, исходя из повседневных наблюдений, будет наиболее вероятным.

Оказывается, именно этот «Истинный» путь минимизирует эту величину «действия».

Возвращаясь к моему первоначальному примеру, разве мы не применяем принцип наименьшего действия каждый день в своей собственной жизни?

Ты не можешь честно сказать мне, что ты хоть немного ленив…

То же самое, как мы видели, относится и к природе.

Это всего лишь один пример того, как можно применить этот принцип, но их гораздо больше: то, как Земля движется вокруг Солнца, путь света через линзы… физика, которую мы, человеческое население, в настоящее время понимаем.

Ленивая Вселенная – Дженнифер Куперсмит

Ленивая Вселенная

Введение в принцип наименьшего действия

Отзывы и награды

“Дженнифер Куперсмит написала очень желанную книгу, первое исторически и философски мотивированное полное исследование после двух классических произведений, написанных почти полвека назад… [Она] попыталась и преуспела превосходно, я верю в ее цель написать современную книгу по истории и философии принципов действия, а также дать технические детали ». – Крис Грей, Американский журнал физики

“Любой внимательный читатель этой книги обязательно найдет эту монографию и получит пользу от ее прочтения. .. Я без колебаний рекомендую эту книгу любому физику или инженеру, который хочет лучше понять вариационные принципы.- М. П. Гурураджан, Современная физика

“Рекомендуется”. – ВЫБОР

«[C] заразительный энтузиазм и чувство юмора, необычные для такого рода литературы … Первая часть является отличным чтением для всех, кто интересуется историей и философией науки. Я также рекомендую книгу студентам, изучающим физику и математики, которые готовы углубиться в этот предмет после занятий по аналитической механике, и я считаю, что это доступно любому студенту, изучающему дисциплины STEM.Практикам в области физики из любой дисциплины понравится обновление и другая точка зрения, которая помещает их инструменты торговли в более широкий контекст.” – Андреа Джамманко, CERN Courier

“Вдохновленная монументальной работой Ланцоша, Дженнифер Куперсмит создала прекрасное изложение философских основ, лежащих в основе классической механики. В ней достаточно технического содержания, чтобы быть интересной для эксперта, оставаясь при этом доступной для новичка.” – Джеральд Джей Сассман, профессор электротехники Panasonic, Массачусетский технологический институт

“Это хорошо написанная и понятная презентация некоторых из самых увлекательных и фундаментальных принципов, открытых теоретической физикой.Автор проделал огромную работу, сделав «как если бы законы» доступными для более широкой аудитории».

«Эта книга предназначена для широкой аудитории: каждого практикующего физика — и для конкретной аудитории: каждого автора учебников по физике. Представляйте и обучайте физике мощно и непосредственно с помощью энергии, действия и принципа наименьшего действия». – Эдвин Ф. Тейлор, почетный старший научный сотрудник, Массачусетский технологический институт

Специальность по физике | Колледж Мерримак

Познакомьтесь со своим майором

Физика стремится обнаружить и описать законы, управляющие природными явлениями на всех уровнях, от строительных блоков пространства-времени до крупномасштабной структуры Вселенной.

Кафедра физики предлагает широкий спектр курсов, связанных с этой фундаментальной дисциплиной, от популярных общеобразовательных курсов, таких как «Введение в астрономию», до продвинутых курсов, таких как «Электромагнитная теория» и «Квантовая механика». Наши основные и второстепенные программы предназначены для широкого круга студентов, которые хотят серьезно изучать физику.

Что вы узнаете

В программе по физике вы:

• Получите прочную математическую основу, изучая исчисление, дифференциальные уравнения и линейную алгебру.
• Узнайте, как прорывы в физике способствовали технологическому прогрессу в самых разных областях.
• Погрузитесь в передовые физические теории и принципы, пройдя курсы квантовой механики и электромагнитной теории.
• У вас есть возможность выбрать концентрацию встроенного контроллера, чтобы научиться проектировать, создавать и тестировать микропроцессоры с низким энергопотреблением, используемые в множестве устройств, от мобильных телефонов до автомобилей.

Практическое обучение

У вас будет возможность научиться управлять обсерваторией Менделя и принять участие в проведении вечеров открытых обсерваторий и других мероприятий, связанных с астрономией.

Варианты карьеры

Изучение физики развивает ценные и широко применимые аналитические и количественные способности.Эта основа может быть адаптирована — частично за счет надлежащим образом выбранных факультативов из смежных или дополнительных областей — для подготовки студентов к широкому спектру профессий и возможностей последипломного образования, включая, помимо прочего:

• Прямое начало карьеры со значительным аналитическим и/или количественным компонентом.
• Медицинская школа, юридическая школа и MBA и другие профессиональные программы.
• Междисциплинарные программы магистратуры.
• Высшее образование в области физики (настоятельно рекомендуется получить степень бакалавра или бакалавра плюс дальнейшие факультативы по физике и математике)
• Преподаю физику в средней школе.

Что вы возьмете

Вы можете выбрать либо степень бакалавра искусств, либо степень бакалавра наук в области физики. Ба. состоит из девяти курсов физики и пяти курсов математики, всего 54 кредита.Б.С. требует дополнительных 12 кредитов по факультативной физике, всего 66 кредитов.

*Примечание: Б. С. требует дополнительных 12 кредитов по выбору физики.

Для получения степени бакалавра наук в области физики требуется двенадцать дополнительных кредитов по факультативам, связанным с физикой, выбранным из следующих:

• Дополнительные курсы физики для старших классов
• (AST 1101) Введение в астрономию
• Курсы старших курсов других факультетов, утвержденные физическим факультетом

Межведомственные контракты

Фундаментальный характер и количественные аспекты физики делают ее естественной основой для построения широкого круга междисциплинарных «межведомственных контрактных специальностей». Студенты, заинтересованные в этом варианте, должны обсудить возможности с сотрудником физического факультета.

Сертификация образования

Физика Б.А. или Б.С. с двойной специализацией в области образования дает учащимся Merrimack возможность получить высшее образование с начальной лицензией на преподавание физики в 8–12 классах. Студенты, заинтересованные в карьере учителя, должны как можно скорее связаться с консультантом Школы образования и социальной политики.

Инерция: сила, удерживающая Вселенную вместе

Инерция — это сила, которая удерживает вселенную воедино. В прямом смысле. Без него все бы развалилось. Это также то, что удерживает нас в плену разрушительных привычек и сопротивляется изменениям.

*

«Если бы можно было щелкнуть выключателем и отключить инерцию, Вселенная в одно мгновение превратилась бы в комок материи», — пишут Питер и Нил Гарно в книге В тисках далекой Вселенной: наука об инерции .

… смерть — это цель, которую мы все разделяем. Никто не избежал этого. Так и должно быть, потому что смерть, пожалуй, самое лучшее изобретение жизни. Это агент перемен жизни; он очищает старое, чтобы освободить место для нового… Ваше время ограничено, так что не тратьте его впустую, живя чужой жизнью.

Стив Джобс

Инерция — это сила, которая удерживает вселенную вместе. В прямом смысле. Без него материи не хватило бы электрических сил, необходимых для формирования ее текущего состояния.Инерции противодействует тепло и кинетическая энергия, создаваемая движущимися частицами. Вычтите его, и все остынет до -459,67 градусов по Фаренгейту (температура абсолютного нуля). Тем не менее, мы так мало знаем об инерции и о том, как использовать ее в повседневной жизни.

Основы

Немецкий астроном Иоганн Кеплер (1571–1630) придумал слово «инерция». Показательна этимология термина. Кеплер получил его от латинского «неумение, невежество; бездеятельность или праздность. Верная своему происхождению, инерция удерживает нас в постели ленивым воскресным утром (нам нужно применить энергию активации, чтобы преодолеть это состояние).

Инерция относится к сопротивлению изменениям, в частности, сопротивлению изменениям в движении. Инерция может проявляться в физических объектах или в сознании людей.

Мы рано узнаём о принципе инерции. Все мы знаем, что требуется сила, чтобы заставить что-то двигаться, изменить направление или остановить это.

Наше интуитивное понимание того, как работает инерция, позволяет нам осуществлять определенный контроль над миром вокруг нас.Обучение вождению предлагает дополнительные уроки. Без внешних физических сил автомобиль продолжал бы двигаться прямолинейно в одном и том же направлении. Требуется сила (энергия), чтобы заставить автомобиль двигаться и преодолеть инерцию, удерживающую его на месте для парковки. Изменение направления для поворота за угол или разворота требует дополнительной энергии. Инерция – это то, почему автомобиль не останавливается в момент торможения.

Чем тяжелее транспортное средство, тем труднее преодолеть инерцию и заставить его остановиться. Легкий велосипед останавливается с легкостью, а пассажирскому поезду с восемью вагонами нужно добрую милю, чтобы остановиться.Точно так же, чем быстрее мы бежим, тем больше времени требуется, чтобы остановиться. Бежать по прямой куда проще, чем петлять по людному тротуару, меняя направление, чтобы увернуться от людей.

Любой объект, который можно вращать, например колесо, имеет инерцию вращения. Это говорит нам о том, насколько сложно изменить скорость объекта вокруг оси. Инерция вращения зависит от массы объекта и ее распределения относительно оси.

Инерция — первый закон движения Ньютона, фундаментальный принцип физики .Ньютон резюмировал это следующим образом: «Vis insita, или врожденная сила материи, есть сила сопротивления, посредством которой каждое тело, в той мере, в какой оно находится, старается сохранить свое нынешнее состояние, будь то состояние покоя или равномерное движение. вперед по прямой».

При разработке своего первого закона Ньютон опирался на работу Галилео Галилея. В письме 1624 года Франческо Инголи Галилей изложил принцип инерции:

Я говорю вам, что если естественные тела имеют от природы возможность двигаться каким-либо движением, то это может быть только круговое движение, и невозможно, чтобы природа дала какому-либо из своих цельных тел склонность к прямолинейному движению. .У меня есть много подтверждений этому предположению, но пока достаточно одного, а именно этого.

Я полагаю, что части вселенной находятся в наилучшем порядке, так что ни одна из них не находится на своем месте, то есть Природа и Бог идеально устроили свою структуру… Следовательно, если части мира хорошо упорядочены, прямолинейное движение лишнее и не естественное, и иметь его они могут только тогда, когда какое-нибудь тело насильственно удаляется с его естественного места, на которое оно затем возвращалось бы к прямой линии.

В 1786 году Иммануил Кант уточнил: «Все изменения материи имеют внешнюю причину. (Всякое тело остается в своем состоянии покоя или движения в том же направлении и с той же скоростью, если внешняя причина не вынуждает его покинуть это состояние.) … Этот механический закон можно назвать только законом инерции (lex inertiæ) …”

Теперь, когда мы поняли принцип, давайте посмотрим, как мы можем лучше понять его и применить в своих интересах.

Принятие решений и когнитивная инерция

Мы все испытываем когнитивную инерцию: тенденцию придерживаться существующих идей, убеждений и привычек, даже если они больше не служат нам хорошо.Немногие действительно способны пересмотреть свое мнение в свете опровергающей информации. Вместо этого мы поддаемся предвзятости подтверждения и ищем подтверждения существующих убеждений. Гораздо проще продолжать думать о том, что мы всегда думали, чем размышлять о возможности ошибиться и обновлять свои взгляды. Чтобы преодолеть когнитивный диссонанс, нужно приложить усилия, так же как нужно приложить усилия, чтобы остановить машину или изменить ее направление.

Когда окружающая среда меняется, цепляние за старые убеждения может быть вредным или даже фатальным.Не замечаем ли мы изменений или не реагируем на них, результат один и тот же. Даже когда для других очевидно, что мы должны измениться, для нас это не очевидно. Гораздо легче увидеть что-то, когда вы не вовлечены напрямую. Если я спрошу вас, как быстро вы движетесь прямо сейчас, вы, скорее всего, ответите «ноль», но вы движетесь со скоростью 18 000 миль в час вокруг Солнца. Перспектива — это все, и важна та перспектива, которая наиболее точно соответствует реальности.

Иногда вы принимаете решение о чем-то, не зная почему, и ваше решение сохраняется по инерции.С каждым годом все труднее меняться.

Милан Кундера, Невыносимая легкость бытия

Когнитивная инерция является причиной того, что изменение наших привычек может быть трудным . По умолчанию всегда идет путь наименьшего сопротивления, который легко принять и сложнее подвергнуть сомнению. Возьмем, к примеру, ваш банк. Возможно, вы знаете, что в других банках есть лучшие варианты. Или у вас были проблемы с вашим банком, которые решались годами. Тем не менее, очень немногие люди на самом деле меняют свой банк, и многие из нас остаются со счетом, который мы впервые открыли.Ведь отход от статус-кво потребует больших усилий: поиск альтернатив, перевод остатков, закрытие счетов и т. д. А если что-то пойдет не так? Звучит рискованно. Затраты на переключение высоки, поэтому мы придерживаемся статус-кво.

Иногда нам помогает инерция. В конце концов, расспрашивать обо всем было бы утомительно. Но во многих случаях стоит преодолеть инерцию и привести что-то в движение, изменить направление или остановить.

В инерции важно то, что труден только начальный толчок.После этого прогресс становится более плавным. У Эрнеста Хемингуэя был способ преодолеть инерцию в своих произведениях. Зная, что начинать всегда было труднее всего, он решил заканчивать работу каждый день в тот момент, когда у него был импульс (а не тогда, когда у него заканчивались идеи). На следующий день он мог забрать оттуда. В «Празднике с передвижением» Хемингуэй объясняет:

Я всегда работал, пока что-то не сделал, и всегда останавливался, когда знал, что произойдет дальше. Таким образом, я мог быть уверен, что поеду на следующий день.

Далее в книге он описывает другой метод, заключавшийся в написании всего одного предложения:

Не волнуйтесь. Вы всегда писали раньше и будете писать сейчас. Все, что вам нужно сделать, это написать одно верное предложение. Напишите самое верное предложение, которое вы знаете. Итак, наконец, я бы написал одно верное предложение и продолжил бы оттуда. Тогда это было легко, потому что всегда было одно верное предложение, которое я знал, видел или слышал от кого-то. Если я начинал писать тщательно или подобно тому, как кто-то представляет или представляет что-то, я обнаруживал, что могу вырезать этот завиток или орнамент, выбросить его и начать с первого написанного мной настоящего простого повествовательного предложения.

Мы можем многому научиться из подхода Хемингуэя к борьбе с инерцией и применить его не только к письменной речи. Как и в случае с физикой, импульс от начала может унести нас далеко вперед. Нам просто нужно собрать необходимую энергию активации и начать работу.

Предвзятость статус-кво: «Когда сомневаешься, ничего не делай»

Когнитивная инерция также проявляется в форме смещения статус-кво. Принимая решения, мы редко бываем рациональны. Столкнувшись с конкурирующими вариантами и информацией, мы часто выбираем вариант по умолчанию, потому что это просто.Делать что-то отличное от того, что мы уже делаем, требует умственной энергии, которую мы предпочли бы сохранить. Во многих областях это помогает нам избежать усталости от принятия решений.

Многие из нас большую часть времени едят одно и то же, носят одинаковую одежду и следуют распорядку дня. Эта склонность обычно служит нам хорошо. Но статус-кво не обязательно является оптимальным решением. В самом деле, может быть откровенно вредно или, по крайней мере, бесполезно, если что-то изменилось в окружающей среде или мы хотим оптимизировать использование времени.

Главный враг любой попытки изменить человеческие привычки — инерция. Цивилизация ограничена по инерции.

Эдвард Л. Бернейс, Propaganda

В газете под названием «Если вам это нравится, имеет ли значение, что это правда?» Фелипе де Бригар ^[1] предлагает убедительную иллюстрацию предвзятости статус-кво. Один из самых известных мысленных экспериментов касается «машины опыта» Роберта Нозика. Нозик попросил нас представить, что ученые создали машину виртуальной реальности, способную имитировать любой приятный опыт.Нам предлагается возможность подключиться и прожить остаток жизни в постоянном, но фальшивом удовольствии. Позже эта машина вдохновила на создание серии фильмов «Матрица». Увидев мысленный эксперимент, большинство людей возражают и заявляют, что предпочли бы реальность. Но что, если мы перевернем повествование? Де Бригар считал, что мы против машины опыта, потому что она противоречит статус-кво, той жизни, к которой мы привыкли.

В ходе эксперимента он попросил участников представить, что их разбудил звонок в дверь субботним утром.В дверях стоит человек в черном, представившийся мистером Смитом. Он утверждает, что обладает важной информацией. Мистер Смит объясняет, что произошла ошибка, и вы на самом деле подключены к машине опыта. Все, что вы пережили до сих пор, было симуляцией. Он предлагает выбор: остаться в сети или вернуться в неизвестную реальную жизнь. Неудивительно, что в последней ситуации желающих вернуться к реальности было гораздо меньше, чем в первой. Аверсивным элементом является не сама машина опыта, а отклонение от статус-кво, которое она представляет.

Заключение

Инерция — всепроникающая, проблематичная сила. Это притяжение, которое заставляет нас цепляться за старые способы и мешает нам пробовать что-то новое. Но, как мы видели, это также необходимо. Без него Вселенная рухнула бы. Инерция — это то, что позволяет нам поддерживать модели функционирования, поддерживать отношения и проживать день, не подвергая сомнению все. Мы можем преодолеть инерцию почти так же, как это сделал Хемингуэй, признав ее влияние и предприняв необходимые шаги для создания этого крайне важного начального импульса.

***

Конечные примечания

[1] https://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/095150802290

Бертран Рассел о теории относительности | Britannica

Из следствий в философии, которые могут предположительно следовать из теории относительности, некоторые вполне очевидны, тогда как другие вызывают сомнения. Наблюдалась тенденция, нередкая в случае новой научной теории, когда каждый философ интерпретировал работу Эйнштейна в соответствии со своей собственной метафизической системой и предполагал, что результатом является значительное усиление взглядов, которые рассматриваемый философ ранее придерживался. Это не может быть верно во всех случаях; и можно надеяться, что это верно ни в одном из них. Было бы разочарованием, если бы такое фундаментальное изменение, которое внес Эйнштейн, не содержало философской новизны.

Пространство-время

Для философии наиболее важная новинка присутствовала уже в специальной теории относительности; то есть замена пространства-времени пространством и временем. В ньютоновской динамике два события были разделены двумя видами интервалов, один из которых был расстоянием в пространстве, а другой — промежутком времени.Как только стало понятно, что все движения относительны (что произошло задолго до Эйнштейна), расстояние в пространстве стало неоднозначным, за исключением случая одновременных событий, но по-прежнему считалось, что двусмысленности в отношении одновременности в разных местах нет. Специальная теория относительности с помощью экспериментальных аргументов, которые были новыми, и логических аргументов, которые могли быть открыты в любое время после того, как стало известно, что свет распространяется с конечной скоростью, показала, что одновременность является определенной только тогда, когда она применяется к событиям в одном и том же месте. место, и становится все более и более неоднозначным по мере того, как события удаляются друг от друга в пространстве.

Это утверждение не совсем корректно, так как в нем все еще используется понятие «пространство». Правильное утверждение таково: события имеют четырехмерный порядок, посредством которого мы можем сказать, что событие А ближе к событию В, чем к событию С; это чисто порядковый вопрос, не связанный ни с чем количественным. Но, кроме того, между соседними событиями существует количественное отношение, называемое «интервалом», которое выполняет функции и расстояния в пространстве, и течения времени в традиционной динамике, но выполняет их с разницей.Если тело может двигаться так, чтобы присутствовать при обоих событиях, интервал подобен времени. Если луч света может двигаться так, чтобы присутствовать при обоих событиях, интервал равен нулю. Если ни то, ни другое не может произойти, интервал подобен пространству. Когда мы говорим о теле, присутствующем «при» событии, мы имеем в виду, что событие происходит в том же самом месте в пространстве-времени, что и одно из событий, составляющих историю тела; и когда мы говорим, что два события происходят в одном и том же месте в пространстве-времени, мы имеем в виду, что между ними нет события в четырехмерном пространственно-временном порядке. Все события, происходящие с человеком в данный момент (в его собственное время), находятся в этом смысле в одном месте; например, если мы одновременно слышим шум и видим цвет, оба наших восприятия находятся в одном месте в пространстве-времени.

Когда одно тело может присутствовать при двух событиях, которые не происходят в одном месте в пространстве-времени, временной порядок этих двух событий не является двусмысленным, хотя величина временного интервала будет разной в разных системах измерения. Но всякий раз, когда интервал между двумя событиями подобен пространству, их временной порядок будет различным в разных одинаково законных системах измерения; в этом случае, таким образом, временной порядок не представляет физического факта.Отсюда следует, что когда два тела находятся в относительном движении, как солнце и планета, не существует такого физического факта, как «расстояние между телами в данный момент времени»; уже одно это показывает, что закон всемирного тяготения Ньютона логически ошибочен. К счастью, Эйнштейн не только указал на недостаток, но и устранил его. Однако его аргументы против Ньютона остались бы в силе, даже если бы его собственный закон всемирного тяготения не подтвердился.

Время ни единого космического порядка

Тот факт, что время присуще каждому телу, а не отдельному космическому порядку, влечет за собой изменения в представлениях о субстанции и причине и предполагает замену субстанции с меняющимися состояниями серией событий.Таким образом, полемика об эфире становится довольно нереальной. Несомненно, при движении световых волн происходят события, и раньше считалось, что эти события должны быть «внутри» чего-то; нечто, в чем они находились, называлось эфиром. Но, по-видимому, нет никакой причины, кроме логического предубеждения, предполагать, что события находятся «внутри» чего-либо. Материю также можно свести к закону, согласно которому события сменяют друг друга и распространяются из центров; но здесь мы переходим к более спекулятивным соображениям.