Введение
Представьте, что вы едете в поезде, а рядом на столе лежит яблоко. Для вас оно неподвижно. Но для человека, стоящего на платформе, яблоко будет двигаться вместе с поездом (Рис. 1).
Рис. 1. Движение яблока относительно человека, стоящего на платформе
Яблоко одно и то же, но движение (или его отсутствие) зависит от наблюдателя.
Зависимость движения от системы отсчета
С движущимся поездом вроде всё понятно: если мы находимся внутри него, тогда все предметы кажутся нам неподвижными, а если мы находимся на платформе, то наблюдаем движение вагона со всем его содержимым.
Но если поезд стоит на вокзале, то он будет неподвижен и для того, кто сидит внутри, и для того, кто стоит на перроне (Рис. 2). Значит ли это, что поезд неподвижен в любой системе отсчёта? Вовсе нет. Относительно платформы он неподвижен, но относительно проезжающего мимо автомобиля он движется (действительно, в глазах пассажира автомобиля поезд как будто «проплывёт» мимо окна) (Рис. 3). И к тому же относительно Солнца Земля движется вместе со всеми поездами и вокзалами (Рис. 4).
Рис. 2. Неподвижный относительно перрона поезд
Рис. 3. Движение поезда относительно проезжающего автомобиля
Рис. 4. Движение Земли относительно Солнца
Собственно, те, кто утверждал, что Солнце вращается вокруг Земли, тоже в чём-то были правы (Рис. 5). Для человека, находящегося на планете Земля (то есть в системе отсчёта, связанной с Землёй), так и происходит (Рис. 6).
Рис. 5. Геоцентризм
Рис. 6. Движение Солнца относительно системы отсчета, связанной с Землей
В этом и состоит относительность движения – говорить о любом движении есть смысл только в том случае, если выбрана система отсчёта
Подбросим яблоко. В системе отсчета, связанной с вагоном, оно будет двигаться по прямой сначала вверх, а потом вниз, пока вы его не поймаете (Рис. 7). А в системе отсчета, связанной с платформой, яблоко будет двигаться по криволинейной траектории: как тело, брошенное под углом к горизонту (Рис. 8).
Рис. 7. Траектория движения яблока в системе отчета, связанной с вагоном
Рис. 8. Траектория движения яблока в системе отчета, связанной с платформой
Такое движение мы рассматривали подробно. При решении задач мы можем рассматривать отдельно горизонтальное равномерное движение, движение поезда (Рис. 9), и вертикальное движение с ускорением свободного падения, подбрасывание яблока в вагоне (Рис. 10) – это оказалось удобным инструментом.
Рис. 9. Горизонтальное равномерное движение, движение поезда
Рис. 10. Вертикальное движение с ускорением свободного падения, подбрасывание яблока в вагоне
Электрическое проявление электромагнитного поля
А теперь поместим в вагон два электрических заряда, которые будут неподвижны относительно вагона. Мы знаем, что неподвижные (или статические) заряды взаимодействуют друг с другом посредством электрического поля (Рис. 11), это взаимодействие мы можем измерить, описать, выявить закономерности и использовать их (Рис. 12). Но мы же рассмотрели поведение заряда только в одной системе отсчета – и, оказывается, свойства заряда этим не исчерпываются.
Рис. 11. Взаимодействие статических зарядов
Рис. 12. Закон Кулона
Дело в том, что заряд обладает электромагнитным полем, и электрическое поле – это одно из двух его проявлений. Второе – магнитное.
Так и движение под углом к горизонту состоит из двух: это равноускоренное движение в вертикальной плоскости и равномерное в горизонтальной (Рис. 13). При решении задач мы рассматриваем две этих составляющих отдельно. Так же мы поступим при изучении электромагнитного поля: электрическое поле мы уже рассмотрели, теперь сосредоточимся на магнитном.
Рис. 13. Движение под углом к горизонту
Магнитное проявление электромагнитного поля
Для стороннего наблюдателя вне движущегося вагона заряд уже не будет статическим. В этой системе отсчета будут проявляться другие свойства заряда, и он будет вступать в другой вид взаимодействия. Это взаимодействие назвали магнитным – это второе проявление электромагнитного поля. Оно наблюдается в системах отсчета, в которых заряд движется (Рис. 14).
Рис. 14. Магнитное проявление электромагнитного поля
Как же постоянный магнит – мы наблюдаем его магнитные свойства независимо от того, движется он или нет (Рис. 15)? Но там внутри много зарядов, и нет такой системы отсчета, в которой бы все заряды покоились (Рис. 16). Они в любом случае подвижны, поэтому будет проявляться магнитное поле.
Рис. 15. Постоянный магнит
Рис. 16. Движение зарядов в магните
В разных системах отсчета заряд проявляет себя по-разному, но нельзя подобрать систему отсчета, в которой бы обе составляющие электромагнитного поля заряда исчезли (Рис. 17).
Рис. 17. Электромагнитное поле электрона
В данном разделе мы сконцентрируемся на изучении магнитной составляющей электромагнитного поля.
Разные проявления одного и того же
Представите себе египетскую пирамиду (Рис. 18), давайте посмотрим на нее с разных сторон: сверху мы увидим квадрат (Рис. 19), а сбоку – треугольник (Рис. 20). И мы будем рассматривать отдельно ту или иную проекцию в зависимости от задачи: обойти ее нужно (Рис. 21) или перелезть (чего с такими архитектурными памятниками делать нельзя) (Рис. 22). А если нужно, то рассмотрим более сложную модель – модель объемной фигуры (Рис. 18).
Рис. 18. Египетская пирамида
Рис. 19. Изображение египетской пирамиды сверху
Рис. 20. Изображение египетской пирамиды сбоку
Рис. 21. Задача об обходе пирамиды
Рис. 22. Задача об обходе пирамиды сверху
Выводы
На уроках данного раздела мы изучили магнитное поле, не вдаваясь в подробности электромагнитного взаимодействия. Мы рассмотрели взаимодействие постоянных магнитов, магнитное поле проводника с током, а также действие магнитного поля на проводник с током и на движущуюся заряженную частицу.
Домашнее задание
- Обладает ли проводник с током магнитным полем? Обоснуйте.
- Что происходит со звездами в ночном небе относительно покоящегося наблюдателя на Земле?
- Как может проявлять себя электромагнитное поле заряда относительно различных систем отчета? Приведите примеры таких проявлений.
Список рекомендованной литературы
- Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Чаругин В.М. Физика. 11 класс. Учебник / Под ред. Н.А. Парфентьевой. М.: Просвещение, 2014.
- Касьянов В.А. Физика. 11 кл.: учебн. для общеобразоват. учр. М.: Дрофа, 2004.
Рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет
- Интернет портал «energ2010.ru» (Источник)
- Интернет портал «msk.edu.ua» (Источник)
