Вавилова закон

Вид материалаЗакон

Содержание


Волны на поверхности жид­кости
Волоконная оптика
В. Б. Вейнберг.
Вольт на метр
Вольт-амперная характери­стика
Восстановления коэффици­ент
Вращательное движение
Момент количества движения)
Вращающий момент
Вращение плоскости поляри­зации
Времени измерение
М. Е. Жаботинский.
Подобный материал:
1   ...   5   6   7   8   9   10   11   12   13
ВОЛНЫ НА ПОВЕРХНОСТИ ЖИД­КОСТИ, волны, возникающие и рас­пространяющиеся по свободной по­верхности жидкости или по поверх­ности раздела двух несмешивающихся жидкостей. В. на п. ж. образуются под влиянием внеш. воздействия, в результате к-рого поверхность жид­кости выводится из состояния рав­новесия. При этом возникают силы, восстанавливающие равновесие: силы поверхностного натяжения и силы тя­жести. В зависимости от природы вос­станавливающих сил В. на п. ж. под­разделяются на капиллярные волны, если преобладают силы поверхност­ного натяжения, и гравитационные, если преобладают силы тяжести. В случае, когда совместно действуют силы тяжести и силы поверхностного натяжения, волны наз. гравитационно-капиллярными. Влияние сил поверх­ностного натяжения наиб. сущест­венно при малых длинах волн, сил тяжести — при больших.

Скорость с распространения В. на п. ж. зависит от длины волны Я. При возрастании длины волны ско­рость распространения гравитацион­но-капиллярных волн сначала убы­вает до нек-рого мин. значения c1=



( — поверхностное натяжение, g — ускорение свободного падения,  — плотность жидкости). Значению c1 соответствует длина волны 1=2/gp. При >1 скорость рас­пространения зависит преим. от сил тяжести, а при <1от сил по­верхностного натяжения. Для по­верхности раздела воды и воздуха 1=l,72 см.,

Причины возникновения гравитац. волн: притяжение жидкости Солнцем и Луной, движение тел вблизи или по поверхности воды (корабельные волны), действие на поверхности жид­кости системы импульсивных давле­ний (напр., местное возвышение уров­ня при подводном взрыве). Наиболее распространены в природе ветровые волны.

ВОЛОКОННАЯ ОПТИКА, раздел оп­тики, в к-ром рассматривается пере­дача света и изображения по светово­дам и волноводам оптич. диапазона, в частности по многожильным свето­водам и пучкам гибких волокон. В. о. возникла в 50-х гг. 20 в.

В волоконно-оптич. деталях све­товые сигналы передаются с одной поверхности (торца световода) на другую (выходную) как совокупность



Поэлементная передача изображения воло­конной деталью: 1 — изображение, поданное на входной торец; 2 — светопроводящая жи­ла; 3 — изолирующая прослойка; 4 — моза­ичное изображение, переданное на выход­ной торец.


элементов изображения, каждый из к-рых передаётся по своей световедущей жиле (рис.). В волоконных де­талях обычно применяют стеклянное волокно, световедущая жила к-рого (сердцевина) окружена стеклом-обо­лочкой из др. стекла с меньшим пока­зателем преломления. Вследствие этого на поверхности раздела сердцевины и оболочки лучи, падающие под соот­ветствующими углами, претерпевают полное внутр. отражение и распрост­раняются по световедущей жиле. Не­смотря на множество таких отражений, потери в световодах обусловлены гл. обр. поглощением света в массе стек­ла жилы. При изготовлении светово­дов из особо чистых материалов уда­ётся снизить ослабление светового сигнала до неск. десятков и даже единиц дБ/км. Диаметр световедущих жил в деталях разл. назначений лежит в области от нескольких мкм до нескольких мм. Распространение света по световодам, диаметр к-рых велик по сравнению с длиной волны, происходит по законам геометриче­ской оптики; по более тонким волок­нам (порядка длины волны) распрост­раняются лишь отд. типы волн или их совокупности, что рассматри­вается в рамках волновой оптики.

Для передачи изображения в В. о. применяются жёсткие многожильные

световоды и жгуты с регулярной ук­ладкой волокон. Кач-во передачи изображения определяется диаметром световедущих жил, их общим числом и совершенством изготовления. Лю­бые дефекты световодов портят изоб­ражение. Обычно разрешающая спо­собность волоконных жгутов состав­ляет 10—50 лин./мм, а в жёстких многожильных световодах и спечённых из них деталей — до 100 лин./мм.

Изображение на входной торец жгу­та проецируется с помощью объек­тива. Выходной торец рассматри­вается через окуляр. Для увеличения или уменьшения действит. изображе­ния применяются фоконы — пучки во­локон с плавно увеличивающимся или уменьшающимся диаметром. Они кон­центрируют на выходном узком торце световой поток, падающий на широ­кий торец. При этом на выходе воз­растают освещённость и наклон лу­чей. Повышение концентрации свето­вой энергии возможно до тех пор, пока числовая апертура конуса лу­чей на выходе не достигнет числовой апертуры световода (её обычная ве­личина 0,4—1). Это ограничивает со­отношение входного и выходного ра­диусов фокона, к-рое практически не превосходит пяти. Широкое распрост­ранение получили также пластины, вырезанные поперёк из плотно спе­чённых волокон. Они служат фрон­тальными стёклами кинескопов и пе­реносят изображение на их внеш. поверхность, что позволяет контактно его фотографировать. При этом до плёнки доходит осн. часть света, из­лучаемого люминофором, и освещён­ность на ней создаётся в десятки раз большая, чем при съёмке фотоаппара­том с объективом.

Световоды и др. волоконно-оптич. детали применяют в технике, медици­не и во многих др. отраслях научных исследований. Жёсткие прямые или заранее изогнутые одножильные све­товоды и жгуты из волокон диам. 15—50 мкм применяют в медицинских приборах для освещения внутр. по­лостей носоглотки, желудка, брон­хов и т. д. В таких приборах свет от электрич. лампы собирается конден­сором на входном торце световода или жгута и по нему подаётся в ос­вещаемую полость. Использование жгута с регулярной укладкой стек­лянных волокон (гибкий эндо­скоп) позволяет видеть изображе­ние стенок внутр. полостей, диагно­стировать заболевания и с помощью гибких инструментов выполнять про­стейшие хирургич. операции без вскрытия полости. Световоды с задан­ным переплетением применяют в ско­ростной киносъёмке, для регистра­ции треков яд. ч-ц, как преобразова­тели сканирования в фототелеграфировании и телевизионной измерит. технике, как преобразователи кода

89


и как шифровальные устройства. Со­зданы активные (лазерные) в о л о к н а, работающие как квант. уси­лители и квант. генераторы света, предназначенные для быстродейст­вующих вычислит. машин и выпол­нения ф-ций логич. элементов, ячеек памяти и др. Особо прозрачные тон­кие волоконные световоды с затуха­нием в неск. дБ/км применяются как кабели телефонной и телевизионной связи как в пределах объекта (здание, корабль и т. п.), так и на расстоянии от него в десятки км. Волоконная связь отличается помехозащищён­ностью, малым весом линий передачи, позволяет сэкономить дорогостоящую медь и обеспечивает развязку электрич. цепей.

Волоконные детали изготовляются из особо чистых материалов. Из расплавов подходящих марок стёкол вытягиваются световод и волокно. Предложен новый оптич. материал — кристалловолокно, выращиваемое из расплава. Световодами в кристалло-волокне явл. нитевидные кристаллы, а прослойками — добавки, вводимые в расплав.

• К а п а н и Н.С., Волоконная оптика, пер. с англ., М., 1969; Вейнберг В. Б., С а т т а р о в Д. К., Оптика световодов, 2 изд., Л., 1977; Кучикян Л. М., Физическая оптика волоконных световодов, М., 1979; Саттаров Д. К., Волоконная оптика, Л., 1973; Тидекен Р., Волоконная оп­тика и ее применение, пер. с англ., М., 1975. См. также лит. при ст. Световоды.

В. Б. Вейнберг.

ВОЛЬТ (В, V), единица СИ электрич. напряжения, электродвижущей силы (эдс), разности электрич. потенциа­лов. Названа в честь итал. учёного А. Вольты (A. Volta). 1 В — элект­рич. напряжение, вызывающее в электрич. цепи пост. ток силой 1 А при затрачиваемой мощности 1 Вт. В то же время 1 В равен потенциалу точки электрич. поля, находясь в к-рой заряд в 1 Кл обладает потенц. энергией 1 Дж. 1 В = 108/с ед. СГСЭ=1/300 ед. СГСЭ=108 ед. СГСМ, здесь с — числовое значение скорости света в вакууме, выраженное в см/с (3•1010).

ВОЛЬТ НА МЕТР (В/м, V/m), едини­ца СИ напряжённости электрич. поля. 1 В/м — напряжённость однородного электрич. поля, при к-рой между точ­ками, находящимися на расстоянии 1 м вдоль линии напряжённости поля, создаётся разность потенциалов 1 В. 1 B/M=1/3•10-4 ед. СГСЭ=106 ед. СГСМ.

ВОЛЬТ-АМПЕР (В•A, V•A), единица полной мощности электрич. тока, т. е. мощности, определяемой произведе­нием действующего значения силы тока в электрич. цепи на напряжение на её зажимах. Различают также активную мощность (ед. СИ — ватт) и реактивную мощность (ед.— вар).

ВОЛЬТ-АМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИ­СТИКА, зависимость тока от приложенного к элементу электрич. цепи напряжения или зависимость падения напряжения на элементе электрич. цепи от протекающего через него тока. Если сопротивление элемента не за­висит от тока, то В.-а. х.—прямая ли­ния, проходящая через начало коор­динат. В.-а. х. нелинейных элементов электрич. цепи (электровакуумные, газоразрядные и твёрдотельные при­боры) имеют нелинейные участки и разнообразную форму (N-образные В.-а. х., S-образные и т. п.).

ВОЛЬТМЕТР (от вольт и греч. metreo — измеряю), прибор для измере­ния напряжения в электрич. цепях. В. включается параллельно участку цепи, на к-ром измеряется напряже­ние. Для уменьшения влияния вклю­чённого В. на режим цепи он должен обладать большим входным сопротив­лением.

Осн. частью простейших В. явл. электроизмерит. механизм (магнитоэлектрич., эл.-магн., электродинамич., ферродинамич., электростатический — см. соответствующие статьи). В. для измерения малых напряжений пред­ставляет собой сочетание измери­тельного усилителя с электроизмерит. механизмом, воспринимающим вы­ходной сигнал усилителя. Для изме­рения больших напряжений в В. встраивают добавочные сопротивления или делители напряжения либо ис­пользуют В. совместно с указанными устройствами или измерит. трансфор­матором напряжения. Широкое рас­пространение получили цифровые В. (см. Цифровой электроизмерительный прибор). Для измерений в цепях перем. тока на высоких и сверхвысоких час­тотах широко применяют В., в к-рых перед электроизмерит. механизмом включён преобразователь перем. тока в постоянный (см. Выпрямительный электроизмерительный прибор, Термо­электрический измерительный при­бор). В. с электроизмерит. механиз­мами без внеш. добавочных устройств характеризуются след. данными: верх. предел измерений — от 0,3 мВ до 300 кВ, осн. погрешность в % от верх. предела измерений — 0,1—2,5%, час­тотный диапазон — от десятых долей Гц до 20 МГц. Цифровые В. (в осн. пост. тока): верх, предел измерений— от 100 мкВ до 2 кВ, основная погреш­ность— 0,02—0,5%. Электронные В. с усилителями и преобразователями позволяют измерять напряжения до 10-9 В в диапазоне частот до сотен МГц, В. с трансформаторами напря­жения и высоковольтными делите­лями — до 1 MB.

Техн. требования к В. стандарти­зованы в ГОСТах 22261—76, 8711—78 и 9781—78.

• Основы электроизмерительной техники, М., 1972; Справочник по электроизмеритель­ным приборам, 2 изд., Л., 1977.

В. П. Кузнецов.

ВОССТАНОВЛЕНИЯ КОЭФФИЦИ­ЕНТ в теории удара, величина, за­висящая от физ. св-в соударяющихся тел и определяющая, какая доля начальной относит. скорости этих тел восстанавливается к концу удара. В. к. характеризует потери механич. энергии соударяющихся тел вследствие появления в них остаточных дефор­маций и их нагревания. См. также Удар.

ВРАЩАТЕЛЬНОЕ ДВИЖЕНИЕ твёр­дого тела, 1) В. д. вокруг ос и— движение тв. тела, при к-ром к.-л. две его точки А и В остаются всё время неподвижными (рис.).



Прямая АВ, проходящая через эти точки, наз. осью вращения; все точки тела при В. д. описы­вают окружности в плоскостях, пер­пендикулярных к оси вращения и с центрами, лежа­щими на этой оси. Тело, совершаю­щее В. д., имеет одну степень сво­боды, и его положение определяется углом  меж­ду проведёнными через ось вращения неподвижной полуплоскостью н полу­плоскостью, жёстко связанной с те­лом и вращающейся вместе с ним.


Осн. кинематич. хар-ки В. д. тела — его угл. скорость  и угл. ускоре­ние . Для любой точки тела, отстоя­щей от оси на расстоянии h, её линейная скорость v=h, касательное ускорение w = h, нормальное уско­рение wn=h2 и полное ускорение w=h(2+w4).

Осн. динамич. хар-ками В. д. тела явл. его кинетич. момент относи­тельно оси вращения Kz=Iz (см. Момент количества движения) и ки­нетич. энергия T=1/2Iz2, где Iz момент инерции тела относительно оси вращения z. Закон вращения определяется из основного ур-ния: Iг=Мz, где Мz — вращающий момент.

2) В. д. вокруг точки (или сферич. движение) — движение тв. тела, при к-ром какая-то одна его точка О остаётся неподвижной, а все другие точки движутся по поверх­ностям сфер, имеющих центр в точ­ке О. При таком В. д. тела любое его элем. перемещение представляет со­бой элем. поворот вокруг нек-рой оси, проходящей через точку О и наз. мгновенной осью вращения. Со временем эта ось, в отличие от неподвижной, непрерывно изме­няет своё направление. В результате В. д. тела слагается из серии элем. поворотов вокруг непрерывно меняю­щих своё направление мгновенных осей. Пример такого В. д. тела — движение гироскопа.

С. М. Тарг.

ВРАЩАТЕЛЬНЫЕ СПЕКТРЫ (ро­тационные спектры), молекулярные спектры, обусловленные вращением молекулы как целого. Состоят из отдельных спектр. линий; наблю­даются в поглощении в далёкой ИК области и микроволн. диапазоне, а также в спектрах комбинационного

90


рассеяния света. Подробнее см. в ст. Молекулярные спектры.

ВРАЩАЮЩИЙ МОМЕНТ, мера внеш. воздействия, изменяющего угл. ско­рость вращающегося тела. В. м. ра­вен алгебр. сумме моментов всех действующих на вращающееся тело сил относительно осп вращения (см. Момент силы, Вращательное движе­ние). В. м. связан с угл. ускорением тела  равенством: Mвp=I, где I — момент инерции тела относительно оси вращения.

ВРАЩЕНИЕ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИ­ЗАЦИИ света, поворот плоскости по­ляризации линейно поляризованного света при его прохождении через в-во (см. Поляризация света). Наиболее простое модельное объяснение явле­ния В. п. п. состоит в следующем. Линейно поляризованный пучок света можно представить как результат сло­жения (сумму) двух пучков, рас­пространяющихся в одном направле­нии и поляризованных по кругу с противоположными направлениями вращения. Если два та­ких пучка распространяются в в-ве с разл. скоростями (т. е. если прелом­ления показатели в-ва для них неоди­наковы), то это приводит к повороту плоскости поляризации суммарного пучка. В. п. п. может быть обуслов­лено либо особенностями внутр. струк­туры в-ва (см. Оптическая активность), либо вз-ствием в-ва с внеш. магн. полем (см. Фарадея эффект). Как правило, В. п. п. происходит в оптически изо­тропных средах о пространственной дисперсией (кубич. кристаллы, жид­кости, р-ры и газы). Измеряя В. п. п. и его зависимость от длины волны света (т. н. вращатель­ную дисперсию), исследуют особенности строения в-ва и опреде­ляют концентрации оптически актив­ных веществ в р-рах. В. п. п. исполь­зуют в ряде оптич. приборов (оптич. модуляторы, затворы, вентили, квант. гироскопы и др.).

ВРЕМЕНИ ИЗМЕРЕНИЕ. Отсчёт вре­мени связан с периодич. процессами. Система исчисления времени, приме­няемая в повседневной жизни, осно­вана на солн. сутках, а соответствую­щая ед. времени — секунда сол­нечного времени определя­ется как 1/86400 ср. солн. суток (в году содержится 365,2422 ср. солн. су­ток). Длительность истинных солн. суток меняется в течение года вслед­ствие неравномерности орбит. движе­ния Земли и наклона земной оси к плоскости орбиты; эти изменения до­стигают 50 с.

По междунар. соглашению, земная поверхность разделена на 24 часовых пояса, в каждом из к-рых ведётся единый отсчёт времени, отличающийся на 1 ч от времени в соседнем поясе. Отсчёт долгот, а следовательно, и осн. отсчёт времени, ведётся от ме­ридиана, проходящего через Грин­вичскую обсерваторию (Великобри­тания). Единое время, отсчитываемое

внутри данного часового пояса, наз. гражданским временем, а время нулевого часового пояса (гринвичское время) наз. всемир­ным временем. Москва и Ле­нинград находятся во 2-м часовом поясе, самые восточные части нашей страны лежат в 12-м часовом поясе. Для рационального использования светлого времени суток во многих странах (в СССР с 1981) часы на лето переводятся вперёд («летнее время»). Кроме того, в СССР с 1930 часы по всей территории страны сдвинуты на 1 ч вперёд относительно времени дан­ного часового пояса (декретное время). Декретное московское вре­мя опережает гринвичское время на 3 ч.

Значительные видимые размеры Солнца и большой поток света и теп­лоты, излучаемый им, делают отсчёт времени по нему неудобным и неточ­ным. Поэтому астр. измерение времени вплоть до сер. 20 в. велось на основе наблюдений видимого движения звёзд, обусловленного суточным вращением Земли. Длительность звёздных суток (промежутка времени между двумя последоват. прохождениями звезды че­рез плоскость меридиана) не содержит вариаций, связанных с неравномер­ностью орбит. движения Земли и с наклоном земной оси к плоскости орбиты. Тем не менее оказалось не­удобным введение звёздных суток для практич. счёта времени. Звёздные сут­ки приблизительно на 4 мин меньше солн. суток. (Это различие обуслов­лено тем, что за время каждого обо­рота Земли вокруг оси Солнце пере­мещается по небосводу прибл. на 1/365 оборота в направлении враще­ния Земли.) Отношение между ср. солнечными и звёздными сутками оп­ределено с чрезвычайно высокой точ­ностью.

Измерение меньших промежутков времени осуществляется с помощью астр. часов. Их ход определяется маятником (вес 10—12 кг), колеблю­щимся на спец. подвесе (длиной ок. 1 м) в вакууме. Для достижения высокой точности (относит. погреш­ность 10-8) маятник максимально за­щищён от вибраций, внеш. воздейст­вий, изменений темп-ры, а его коле­бания поддерживаются эл.-магн. уст­ройством.

Большую точность отсчёта времени обеспечивают кварцевые часы, ход к-рых определяется колебаниями пла­стин из высококачественного крист. кварца. Суточная относит. погреш­ность таких часов не превышает 10-11, а ошибка, накапливающаяся в течение года, не превышает 10-9 с. Кварцевые часы позволили устано­вить неравномерность суточного вра­щения Земли. Сравнение длительности звёздных суток с показаниями многих независимых кварцевых часов по­казало, что длительность звёздных суток может изменяться на величину 10-8 от их ср. величины. Океанские

приливы и деформации земной коры, вызываемые притяжением Солнца и Луны, постепенно замедляют суточное вращение Земли, так что сутки уд­линяются в ср. на 0,001 с за столе­тие. Наблюдаются и др. периодич, изменения скорости вращения Земли, вызванные притяжением Солнца и Луны, наклоном земной осп к плос­кости её орбиты, сплющенностью Зем­ли у полюсов. На эти регулярные ва­риации налагаются хаотич. изменения, вызванные мощными возмущениями атмосферы, связанными с солн. актив­ностью, тектонич. процессами и др. В результате длительность истинных звёздных суток непостоянна. Более регулярным процессом явл. обращение Земли вокруг Солнца, период к-рого весьма постоянен, а его возмущения под влиянием др. планет малы. В 1960 Генеральная конференция по мерам и весам определила секунду как 1/31556925,9747 часть длитель­ности тропич. года (эфемеридная секунда).

Макроскопич. тела принципиально не могут служить абс. хранителем времени. Причина — неустранимые и неконтролируемые изменения систем, состоящих из огромного числа атомов. Изменение упругости подвеса маят­ника или упругости кварцевой пла­стины (рекристаллизация), возник­новение микротрещин, разрушение по­верхностных слоев и др. неизбежно ве­дут к изменению периода колебания маятника или пластины. Освободить­ся от таких медленных, но неизбежных изменений, можно лишь обратившись к ат. системам, состоящим из сравни­тельно небольшого числа ч-ц. Измене­ния числа ч-ц или их состояния ведут к резкому квант. изменению св-в системы и могут быть сразу замечены. Атом или молекула избирательно по­глощает или излучает эл.-магн. волны определённых частот (см. Спектро­скопия). Эти частоты отличаются не­превзойдённым постоянством, т. к. зависят от строения атома или мо­лекулы.

Развитие радиоспектроскопии и квантовой электроники привело к соз­данию двух типов ат. эталонов частоты и времени — цезиевого эталона и во­дородного генератора, позволяющих измерять и воспроизводить секунду с относит. погрешностью 10-13 (см. Квантовые стандарты частоты, Кван­товые часы). Взаимные сравнения цезиевых и водородных стандартов час­тоты разл. конструкций показали рас­хождение в 3•10-13. Генеральная кон­ференция по мерам и весам приняла в 1967 новую ед. времени — атом­ную секунду, определив её как 9192631770,0 периодов эл.-магн. колебаний, соответствующих определ. квант. переходу атома 137Cs. Нуль после запятой означает, что эта вели­чина, полученная из сравнений с эфе-

91


меридной секундой, принята за опре­деление и не подлежит дальнейшему уточнению (если последующие астр. наблюдения этого потребуют, то долж­на быть уточнена величина эфемеридной секунды). Частота, фиксируемая водородным генератором, определена из сравнений с цезиевым эталоном с погрешностью 30•10-12 и равна 1420405751,7860±0,0046 Гц.

Создание оптических стандартов частоты позволит объединить в одном физ. процессе эталоны времени и дли­ны. Период эл.-магн. колебаний, соот­ветствующий избранной спектр. ли­нии, станет основой эталона времени, а длина волны этой спектр. линии — основой эталона длины. Однако соз­дание любого нового эталона времени должно послужить лишь уточнению измерит. процедуры, но не должно из­менять значения секунды, определён­ной при помощи цезиевого эталона.

Совр. состояние науки требует из­мерения отрезков времени от 10-12 с до 1010 лет. Этот огромный диапазон не может быть реализован в единой ме­тодике и аппаратуре. Пока не сущест­вует методов для точного измерения сверхкоротких импульсов, генерируе­мых нек-рыми лазерами. Процессы, длительность к-рых превосходит доли нс, могут изучаться при помощи скоростных электроннолучевых осцилло­графов. Несколько более медленные процессы фиксируются при помощи хронографов. Измерение длительности геол. и астрофиз. процессов основано на изучении явлений, связанных с распадом и синтезом ат. ядер. Возраст горных пород определяется по изме­рению относительного содержания в них продуктов радиоакт. распада. Воз­раст археол. объектов определяется по относит. содержанию радиоакт. изотопа углерода 13С или по намагни­ченности обожжённых глиняных че­репков, соответствующей величине магн. поля Земли в месте и в момент обжига. Возраст звёзд определяется по относит. содержанию гелия и водо­рода в их атмосфере, а возраст Мета­галактики характеризуется величиной красного смещения в спектрах наиб. удалённых астр. объектов. Новейшие данные о возрасте Метагалактики по­лучены из наблюдения реликтового излучения.

• Б а к у л и н П. И., Блинов Н. С., Служба точного времени,. 2 изд., М., 1977; Константинов А. И..Ф л е е р А. Г., Время, М., 1971; Время и частота. Сб. статей, под ред. Дж. Д ж е с п е р с е н а, М., 1973; Ильин В. Г., Сажин В. В., Новый Государственный эталон времени и частоты, СССР, «Природа», 1977, № 8. См. также лит. при ст. Квантовые стандарты частоты.

М. Е. Жаботинский.

М. Е. Жаботинский.