3. Какими свойствами обладают продольные и поперечные волны? Почему свет проявляет свойства и волны и частицы?

В физике мы имеем дело с волнами различной природы: механическими, электромагнитными и т.д. Несмотря на отличия, эти волны имеют много общих черт. Волны, рассматриваемый параметр которых (смещение молекул, механическое напряжение, и т.д.) изменяется периодически вдоль оси распространения, называются продольными волнами. Если колебания происходят перпендикулярно оси распространения волны (как у электромагнитных волн, например), то такие волны называются поперечными.

Если взаимосвязь между частицами среды осуществляется силами упругости, возникающими вследствие деформации среды при передаче колебаний от одних частиц к другим, то волны называются упругими. К ним относятся звуковые, ультразвуковые, сейсмические и др. волны.

В поперечной волне колебания происходят в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны. Как и в случае продольных волн амплитуды колебаний всех шариков одинаковы, а фаза линейно изменяется от шарика к шарику[1].

Свет одновременно имеет свойства и волны, и частицы. В своем волновом проявлении свет демонстрирует интерференцию и преломление, явления вполне моделируемые и предсказуемые. Манипулируя разностью фаз двух волн, можно добиться эффекта взаимопоглощения волн, и образованные таким способом «тени» будут иметь длины гораздо меньше длин исходных волн. А образы для литографии можно формировать именно такими тончайшими «тенями».

Рис. 1 Свет может изгибаться и вращаться

Принято считать, что фотон – элементарная световая частица, обладающая определенной энергией.

Вернее будет исключить отсюда понятие частицы и сказать, что фотон (квант) – это условная единица энергии световой волны, т.е. световую волну поделили на «участки» с равными энергиями (рис. 1). Становится понятным, почему свет проявляет свойства «частиц» (ведь, как бы того ни хотели физики, волна никак не может быть частицей).

Свет проявляет свойства материальных частиц в следующих (в частности) взаимодействиях (наблюдениях): фотоэлектрический эффект, давление света, эффект Комптона, люминесценция, фотохимические превращения.

Свет проявляет свойства волны (электромагнитного поля) в следующих процессах: интерференция, дифракция, поляризация, дисперсия.

4. Как изменяются кинетическая, полная и потенциальная энергии планеты при ее движении вокруг Солнца? В какое время линейная скорость движения Земли по орбите и почему?

Кинетическая энергия Солнца, представленного в виде вращающейся сферы с массой, сосредоточенной в основном в оболочке.

Кинетическая энергия движения всех планет Солнечной системы без учета кинетических энергий вращения планет вокруг собственных осей и энергии движения Плутона равняется:

где Mn – масса n-ой планеты; vn – орбитальная скорость n-ой планеты. Учтем, что при рождении планеты и переходе через солнечную оболочку ее зародыша происходит скачок гравитационного потенциала в 4 . Приравнивая вышеприведенные формулы с учетом этого скачка, получим для закона сохранения кинетической энергии в Солнечной системе следующее выражение:

Погрешность при расчете по этой формуле составляет 5.4%. Поэтому следует учесть и кинетическую энергию вращения планет, которая составляет 8.42 1034 Дж. Эта энергия не связана со скачком потенциала 4 . Тогда окончательно имеем:

где vоn – экваториальная скорость вращения n-ой планеты.

Закон сохранения полного момента количества движения в Солнечной системе без доказательства следует из следующего выражения:

Расчет по этой формуле дает ошибку в 1.6%. Принципиально не важна последовательность рождения планет, а важно только то обстоятельство, что каждое новое рождение планеты связано с переходом через оболочку порождающей ее звезды или планеты. По-видимому, внутренние планеты были сформированы непосредственно Солнцем, а внешние планеты Юпитер и Сатурн сформировались совместно в процессе рождения Солнца путем распада их общей оболочки на три независимых пузыря.

Изменение потенциальной энергии системы, взятое с обратным знаком, равно работе внутренних консервативных сил:

– DEп = Aкс

Согласно второму закону Кеплера, каждая планета движется в плоскости, проходящей через центр Солнца, причем площадь сектора орбиты, описанная радиусом-вектором планеты, изменяется пропорционально времени. Применительно к нашей Солнечной системе, с этим законом связаны два понятия: перигелий – ближайшая к Солнцу точка орбиты, и афелий – наиболее удаленная точка орбиты. Тогда можно утверждать, что планета движется вокруг Солнца неравномерно: имея линейную скорость в перигелие больше, чем в афелие.

5. Какие типы связей имеют место в кристаллах? Опишите модификации углерода. Почему столь многообразны соединения углерода? Какие особенности строения атома углерода определили его роль в живой природе?

В кристаллах имеют место следующие типы связей:

Ковалентная связь;

Ионная связь;

Металлическая связь;

Молекулярная связь;

Водородная связь.

Рассмотрим их подробнее.

Ковалентная связь

Нейтральные атомы размещены в узлах кристаллической решётки. Связь образуется направленными валентными электронными облаками.

Связь, объединяющая в кристалле (а также и в молекуле) нейтральные атомы, называется гомеополярной или ковалентной. Силы взаимодействия при гомеополярной связи имеют, как и в случае с гетерополярной связью, электрический (но не кулоновский) характер. Гомеополярная связь осуществляется электронными парами. Это означает, что в обеспечении связи между двумя атомами участвует по одному электрону от каждого атома. По этой причине гомеополярная связь имеет направленный характер.

Кристаллы с ковалентной связью диэлектрики или полупроводники. Типичными примерами атомных кристаллов могут служить алмаз, германий и кремний.

Ионная связь

В узлах кристаллической решетки помещаются положительно и отрицательно заряженные ионы.

Силы взаимодействия между узлами являются в основном электростатическими (кулоновскими). Связь между такими частицами называется гетерополярной или ионной.

Кристаллы с ионной связью при низких температурах являются диэлектриками. При тепературах близких к температуре плавления они становятся проводниками электричества. Примером кристаллов с ионной решёткой являются кристаллы каменной соли (NaCl).