۱

۲

۳

۴

۵

۶

۷

۸

۹

 پايه های منطقی نظريه سی.پی.اچ

قسمت 1

مقدمه

جهان بيني علمي در فيزيک نظري با كارهاي گاليله آغاز شد. هرچند كه تلاشهاي گاليله زيربناي فيزيك کلاسيک را تشكيل داد، اما اين تلاشها ريشه در نگرشهاي جديد به پديده هاي فيزيکي داشت كه مهمترين آنها را مي توان در آثار برونو و کپلر مشاهده كرد. برونو به طرز ماهرانه اي در آثار خود تشريح کرد كه همه ي ستارگان جهان نظير خورشيد هستند. کپلر با ارائه سه قانون خود نشان داد كه حرکت سيارات قانونمند است و يک نظم منطقي در حرکت، دوره تناوب و مسير آنها وجود دارد.

گاليله آزمايشهاي زيادي انجام داد تا بتواند حرکت اجسام را در يك سري قوانين کلي خلاصه کند. در اين ميان آزمايش سطح شيبدار گاليله از همه مشهورتر است. اما نمي توان تاثير نگرش گاليله را در پيشرفت علم به اين آزمايشها خلاصه کرد. در حقيقت گاليله نوعي نگرش منطقي به پديده هاي فيزيکي داشت كه تا آن زمان بي سابقه بود. اين نگرش زيربناي روش استقرايي را در فيزيک تشكيل داد و بتدريج به ساير علوم گسترش يافت.

هرچند آزمايشهاي گاليله از نظر کمي و كيفي با آزمايشهاي امروزي قابل مقايسه نيست، اما آزمايشهاي بسيار پيچيده و پيشرفته امروزي نيز از همان قاعده ي نگرش استقرايي گاليله پيروي مي کنند. به اين ترتيب گاليله زير ساخت فيزيك را ايجاد کرد و نحوه ي برخورد علمي با طبيعت را نشان داد. اما نتيجه ي اين تلاشها به صورت تشريحي بيان مي شد.

سالها بعد نيوتن نتايج به دست آمده توسط گاليله را فرمول بندي و در قالب يك سري معادلات رياضي ارائه کرد و ساختار فيزيک كلاسيك را مدون ساخت. قانون جهاني گرانش نيوتن دست آورد بزرگي بود. نيوتن براي توجيه پديده هاي فيزيکي " نگرش ديفرانسيلي" را جايگزين روش انتگرالي  كرد. در روش انتگرالي همواره نتايج مورد نظر است. در حاليكه در نگرش ديفرانسيلي تحليل روند رسيدن به نتايج مورد بحث قرار مي گيرد و جواب هاي خاص را مي توان از آن به دست آورد. به عنوان مثال قوانين کپلر را با قانون جهاني گرانش نيوتن مقايسه کنيد. در قوانين کپلر نمي توان دوره ي گردش يک سياره را از روي دوره ي گردش سياره ي ديگر استخراج کرد. علاوه بر آن هر سه قانون کپلر مستقل از هم هستند. در حاليكه در قانون نيوتن مي توان دوره گردش همه ي سيارات به دور خورشيد را به دست آورد.  

بنابراين مي توان گفت گاليله روش استقرايي را به وجود آورد و نيوتن روش ديفرانسيلي را ابداع کرد. لذا تاثير تلاشهاي گاليله و نيوتن در پيشرفت علوم ممتاز و غير قابل انكار و در عين حال بي نظير است.

مشكلات قوانين نيوتنهنگاميكه نيوتن قوانين حركت و قانون جهاني جاذبه را ارائه کرد، اين قوانين از نظر منطقي با اشكالات جدي همراه بود. قانون دوم نيوتن بصورت      F=ma

 سرعتهاي نامتناهي را پيشگويي مي کرد که با تجربه سازگار نيست. و قانون سوم وي بيان کننده ي کنش از راه دور يا همزماني عمل و عکس العمل است که اين نيز با ابهام و اشکات خود روبرو بود.

     يعني اثر نيروي جاذبه با سرعت نامتناهي منتقل مي شد. تاثير از راه دور همواره مورد انتقاد قرار داشت.

اما مهمترين مشكل قوانين نيوتن در قانون جهاني گرانش وي بود و خود نيوتن نيز متوجه آن شده بود. 

نيوتن دريافت كه بر اثر قانون جاذبه او، ستارگان بايد يكديگر را جذب كنند و بنابراين اصلاً به نظر نمي رسد كه ساكن باشند. نيوتن در سال 1692 طي نامه اي به ريچارد بنتلي نوشت "كه اگر تعداد ستارگان جهان بينهايت نباشد، و اين ستارگان در ناحيه اي از فضا پراكنده باشند، همگي به يكديگر برخورد خواهند کرد. اما اكر تعداد نامحدودي ستاره در فضاي بيكران به طور كمابش يكسان پراكنده باشند، نقطه مركزي در كار نخواهد بود تا همه بسوي آن كشيده شوند و بنابراين جهان در هم نخواهد ريخت."

 اين برداشت نيز با يک اشكال اساسي مواجه شد. بنظر سيليجر طبق نظريه نيوتن تعداد خطوط نيرو كه از بينهايت آمده و به يک جسم مي رسد با جرم آن جسم متناسب است. حال اگر جهان نامتناهي باشد و همه ي اجسام با جسم مزبور در كنش متقابل باشند، شدت جاذبه وارد بر آن بينهايت خواهد شد.

 مشكل بعدي قانون جاذبه نيوتن اين است كه طبق اين قانون يک جسم به طور نامحدود مي تواند ساير اجسام را جذب کرده و رشد کند، يعني جرم يک جسم مي تواند تا بينهايت افزايش يابد. اين نيز با تجربه تطبيق نمي كند، زيرا وجود جسمي با جرم بينهايت مشاهده نشده است.

مشكل بعدي قوانين نيوتن در مورد دستگاه مرجع مطلق بود. همچنان كه مي دانيم حركت يک جسم نسبي است، وقتي سخن از جسم در حال حركت است، نخست بايد ديد نسبت به چه جسمي يا در واقع در کدام چارچوب در حركت است. دستگاه هاي مقايسه اي در فيزيک داراي اهميت بسياري هستند. قوانين نيوتن نسبت به دستگاه مطلق مطرح شده بود. يعني در جهان يک چارچوب مرجع مطلق وجود داشت که حركت همه اجسام نسبت به آن قابل سنجش بود. در واقع همه ي اجسام در اين چارچوب مطلق كه آن را "اتر" مي ناميدند در حركت بودند. يعني ناظر مي توانست از حركت نسبي دو جسم صحبت كند يا  مي توانست حركت مطلق آن را مورد توجه قرار دهد.

 براين اساس مايكلسون تصميم داشت سرعت زمين را نسبت به دستگاه مطلق "اتر" به دست آورد. مايكلسون يک دستگاه تداخل سنج اختراع کرد و در سال 1880 تلاش  کرد طي يک آزمايش سرعت مطلق زمين را نسبت به دستگاه مطلق "اتر" به دست آورد. نتيجه آزمايش منفي بود. (براي بحث كامل در اين مورد به كتابهاي فيزيك بنيادي مراجعه كنيد.) با آنكه آزمايش بارها و بارها تكرار شد، اما نتيجه منفي بود. هرچند مايكلسون از اين آزمايش نتيجه ي مورد نظرش را به دست نياورد، اما به خاطر اختراع دستگاه تداخل سنج خود، بعدها برنده جايزه نوبل شد.

                                  كار و انرژي:

تعريف كار: حاصل ضرب نرده‌اي بردار نيرو در بردار جابجليي كار ناميده مي‌شود و يا عبارت از حاصلضرب جابجايي در تصوير نيروي محور جابجايي كار است.

aزاويه بين نيرو و جابجايي است    W=F.d.cosa  واحد كار ژول است.

تعريف ژول: ژول واحد كار است و آن هم مقدار   كاري است كه اگر نيروي يك نيوتن به جسم وارد جسم را به اندازه يك متر جابجا كند.

نكته:

واحد ديگر كار رازگ مي‌باشدکه هر 1 ارگ برابر 10^-7 j  است.

بحث در فرمول كار

الف: اگر نيرو هم جهت با بردار جابجايي باشد در اين صورت كار ماكسيمم است.

ب: اگر  oد در اين صورت كار مثبت است

   ويتامين‌ها در مقايسه با ساير تركيبات آلي، با مقادير بسيار كم عمل مي‌كنند و با آن كه از نظر انرژي‌زايي و همانند‌سازي عملا" نقشي ندارند. صددرصد براي رشد و نمو و تناسب اعمال حياتي جانوران ضروري هستند. هر چند كه مقادير لازم آن‌ها بسيار كم است، نبود و حتي كمبودشان در غذا اختلالات شديدي كه اغلب مرگ‌آورند، ايجاد مي‌كند. اين بيماره‌ها را "بيماري بي‌ويتاميني" مي‌نامند.

     ويتامين‌ها از ابتدا به دو دسته محلول در آب و محلول در چربي تقسيم كرده بودند و اين تقسيم‌بندي هنوز هم به كار مي‌رود.

    1-  ويتامين C

     اين ويتامين ضد بيماري اسكوربوت است. يك اسيد آلي به فرمول C6H8O6 به نام اسيد‌اسكوربيك مي‌باشد. اين ماده در مجاورت هوا و در حرارت‌هاي بالا، و در محيط بازي خيلي زود خراب و غير فعال مي‌شود. در ميوه‌ها و سبزي‌هاي خشك شده از بين مي‌رود. نقش آن تشكيل ماده‌ي بين سلولي بافت‌هاي جدار مويرگ‌ها، استخوان‌ها، دندان‌ها و بافت‌هاي پيوندي است. و ... ويتامين C  در ميوه‌ها، سبزي‌هاي تازه، ليموترش، پرتقال، گوجه‌فرنگي و كلم فراوان است. در غذاهاي حيواني مانند كبد، كليه، مغز، گوشت و شيرخام بيشتر يافت مي‌شود. نياز بدن يك ميلي‌گرم براي هر كيلوگرم وزن بدن در روز است.

     ويتامين‌هاي گروه B: (B1 يا تيامين،  B2يا ريبوفلاوين، B3 يا نياسين يا PP ،B5  يا اسيد پانتوتنيك، B6 يا پيريدوكسين، ويتامين بيوتين يا H ،  B9 يا اسيد فوليك، B12 يا سيانوكوبالامين )

     2- ويتامين B1 يا تيامين: ضد بيماري بري‌بري است. يك ماده آلي نيتروژن‌دار است با فرمول C12H17ON2S. در غذاهاي جوشيده از بين مي رود. و در ميوه و سبزي‌هاي خشك شده بيشتر غير فعال مي‌گردد. ويتامين B1 در تنظيم متابوليسم گلوسيدها شركت مي‌كند. و از عوامل اصلي انتقال جريان عصبي در سيناپس‌ها است. اين ويتامين در مخمر آبجو، حبوبات، اسفناج، برگ ترب و جعفري يافت مي‌شود. در غذاهاي حيواني مانند زرده تخم‌مرغ، جگرخام، دل و گوشت داراي مقدار بيشتري از اين ويتامين هستند. نياز بدن در يك فرد بالغ دو ميلي‌گرم در روز است.

     3- ويتامين B2 يا ريبوفلاوين: اين ويتامين نسبت به اكسيژن و حرارت بسيار مقاوم است. نسبت به نور و مواد بازي حساس و بر اثر خشك كردن ميوه‌ها و سبزي‌ها از بين مي‌رود. كمبود آن، در متابوليسم پروتيدها و گلوسيدها اختلال حاصل مي‌شود. در كبد، كليه پستانداران، تخم‌مرغ، شير، مخمرآبجو، اسفناج و جعفري مقدار زيادي از اين ويتامين هستند. نياز روزانه دو ميلي‌گرم است.

     4- ويتامين B3 يا نياسين يا اسيدنيكوتينيك يا PP: اين ويتامين ضد بيماري پلاگر است. پلاگر بيماري پوستي خاصي است كه در قسمت‌هايي از پوست كه در مجاورت هوا و آفتاب قرار مي‌گيرند، مشاهده مي‌شود. در غذاهاي فوق وجود دارد. نياز روزانه 12 تا 18 ميلي‌گرم در روز است.

     5- ويتامين B5 يا اسيد پانتوتنيك: در بدن ساخته مي‌شود. اين ويتامين در مخمرآبجو، زرده ‌تخم‌مرغ، جگر گاو، گوساله، كليه، قلب گاو، قارچ و سبزي مي‌توان يافت. نياز بدن روزانه 5 تا 10 ميلي‌گرم است.

     6- ويتامين B6 يا پيريدوكسين: فقدان آن ايجاد بيماريي مي‌كند كه عوارض آن شبيه پلاگر است. در مخمر آبجو، جوانه غلات، كبد، تخم‌مرغ و شير فراوان است. مقدار احتياج روزانه به آن در فرد بالغ 2 ميلي‌گرم است.

     7- ويتامين بيوتين يا H: اين ويتامين در تغييرات شيميايي گلوسيدها شركت مي‌كند. در كبد، گوشت ماهي، شير، تخم‌مرغ، مخمرآبجو، غلات و حبوبات. نياز روزانه يك صدم ميلي‌گرم است.

     8- ويتامين B9 يا اسيد فوليك: در ساختن گلبول‌هاي قرمز به وسيله مغز استخوان وارد عمل مي‌شود. در برگ گياهان سبز، بخصوص اسفناج، خيار، مخمرآبجو، كبد، كليه و عضلات فراوان است. در روده بزرگ ساخته مي‌شود.

     9- ويتامين B12 يا سيانوكوبالامين: در ساختمان ملكولي اين ويتامين فسفر و كبالت وجود دارد. در كبد، كليه، عضلات، زرده تخم‌مرغ، شير، مخمر آبجو يافت مي‌شود. احتياج روزانه 1 تا 2 هزارم ميلي‌گرم است.

     10- ويتامين A يا اگزروفتول: اين ويتامين ضد بيماري "خشكي قرنيه چشم" و در عين حال ويتامين نمو است. كمبود آن نيز باعث شب‌كوري مي‌شود. فرمول خام آن C20H29OH است. دماي 120 درجه سانتي‌گراد را تحمل مي‌كند و در مجاورت اكسيژن و بر اثر نور اكسيد شده و غيرفعال مي‌گردد. گياهان و ميوه‌هاي خشك قسمت عمده ويتامين خود را از دست مي‌دهند. اين ويتامين در خون و تمام بافت‌ها وجود دارد، كبد محل تمركز و ذخيره آن است. ويتامين A منحصرا" در عذاهاي حيواني مثل كبد، زرده تخم‌مرغ، شير و كره وجود دارد. اما در غذاهاي گياهي مانند هويج، گوجه‌فرنگي، اسفناج و كاهو به صورت پيش ويتامين به نام كاروتن (كاروتن ماده زرد رنگي است كه اغلب با كلروفيل در گياهان وجود دارد.) وجود دارد. كاروتن در روده تبديل به ويتامين A مي‌شود. ويتامين E عمل ويتامين A را تقويت مي‌كند. احتياج روزانه 5000 "واحد بين‌المللي" است.

     11- ويتامين D يا كلسيفرول: اين ويتامين ضد بيماري راشيتيسم (نرمي استخوان) است. از چند نوع پيش ويتامين به وجود مي‌آيد. (به نام‌هايD1.D2.D3.D4… )با تابش نور خورشيد (اشعه فوق بنفش) به قسمت‌هاي سطحي پوست، ويتامين D به وجود مي‌آيد. فرمول خام آن براي ويتامين D2 : C28 H43 OH  و براي D3 : C27 H43 OH است. ويتامين D نسبت به حرارت و اكسيژن مقاوم است و بر اثر حرارت از بين نمي‌رود. متابوليسم فسفر و كلسيم را تنظيم مي‌كند. در نبود اين ويتامين كلسيم از استخوان‌هاي گرفته شده به خون داده مي‌شود در نتيجه استخوان‌ها نرم و دفع كلسيم از خون افزايش مي‌يابد. فقط در كبد، زرده تخم‌مرغ، كره، مخمرآبجو و شير داراي مقدار كمي ويتامين D هستند. نياز روزانه يك دهم ميلي‌گرم است.

     12- ويتامين E يا توكوفرول: عمل ويتامين E در انسان هنوز به خوبي روشن نيست. باعث تقويت اثر ويتامين A مي‌گردد. اين ويتامين به مقدار زياد در جوانه غلات، روغن آفتاب‌گردان، بادام زميني، ذرت، زيتون، و هم‌چنين در كاهو و كلم يافت مي‌شود. در كبد، زرده تخم‌مرغ و كره به مقدار كم وجود دارد. نسبت به حرارت مقاوم است. در مجاورت اكسيژن غيرفعال مي‌شود.

     13- ويتامين k يا ويتامين انعقاد خون: كمبود آن باعث مي‌شود كه خون زود منعقد نگردد. تمام گياهان سبز به خصوص اسفناج و كلم منابع بسيار غني اين ويتامين هستند. در روده به وسيله باكتري‌ها ساخته مي‌شود. مقدار نياز بدن به آن 4 ميلي‌گرم در روز است.

     همان ‌طور كه كمبود ويتامين در غذا باعث بيماري مي‌شود، مصرف زياد ويتامين‌ها نيز توليد بيماري مي‌كند. مثلا" مصرف ويتامين D زياد و به مدت طولاني، باعث رسوب كلسيم در جدار رگ‌هاي قلب و كليه‌ها، اسهال، استفراغ و انقباض‌هاي عضلاني، مي‌گردد. 

آيا ذرات نوري وجود دارند؟

صدها آزمايش گوناگون ثابت كرده كه امواج نوري وجود دارند. اين امواج بر خلاف امواج آب و امواج صوتي در خلاء نيز انتشار مي يابد. نور، امواج راديويي، امواج مادون قرمز، امواج ماوراء بنفش و امواج روتنگن همگي به خانواده بزرگ «امواج مغناطيسي» تعلق دارند .

ماون قرمز به نوبه خود نسبت به نور قرمز از طول موج بلندتري برخودار است. در حالي كه نور مارواءبنفش داراي طول موج كوتاهتري از نور بنفش بوده و اشعه رونتگن در جاي خود طول موج كوتاهتر ي از نور ماوراء بنفش دارد . تا آغاز قرن حاضر اين طور تصور مي شد كه با توجه به آگاهي ذهني كه انسان از نور به عنوان موج دارد به تمام خصوصيات نو ر پي برده و آن را كاملاً شناخته است .ولي با ظهور فيزيكدانهاي بزرگي چون "پلانك " و "اينشتين " اين تصور تغيير يافت .

آنها يك بار ديگر نشان دادند كه در قلمرو سريتعترينها و كو چكترينها قوه تخيل و درك و استنباط ما از كار باز مي ايستد و عاجر مي ماند و طبيعت دراين زمينه كاملاً مغاير با آنچه انتظارداريم رفتار مي كند . اينشتين به اين مطلب پي برد كه :انرژي مربوط به يك موج الكترو مغناطيسي همواره در مجموعه ها و بسته هاي كوچك يا به اصطلاح در "كوانت ها " يا ذره هاي معنين منتقل مي شوند كه امروزه آنها را "فوتون "يا "ذره نوري " مي نامند . بطور خلاصه بسته به اينكه چه نوع آزمايشي بر روي نور انجام مي شود و چه تجربه اي در حال اجرا است .نور مي تواند به صورت موج يا ذره نمودار شود.

هر چه طول موج نو كوتاهتر باشد انرژي ذره نوري مربوط به آن بيشتر است . نور آبي طول موج كوتاهتري از نور قرمز دارد به همين ديليل فوتونهاي نور آبي انرژي بيشتري نسبت به فوتونهاي نور قرمز دارند . پرتوهاي "رونتگن " طول موجي باز هم كوتاهت ر دارند و در نتيجه فوتونهاي اشعه رونتگن ، پر انرژي هستندمثلاَ تشعشعات رونتگن مي توانند در عمق بدن اسنان نفوذ كنند و اين خاصيتي است كه پزشكان ،آگاهانه از آن براي تشخيص شكستگي استخوانها ،استفاده مي كنند .

ذر ات نوري يا "فوتونها " مانند اتمها يا الكترونها داراي جرم نيستند و در تمام طول عمر خود با سرعت نور در حركت هستند .

البته خيلي مشكل مي توان تصور كر د كه ذراتي بدوون جرم وجود داشته باشند ولي با خودانرژي به اين طرف و آن طرف حمل كنندو يا اينكه نو يك بار به صورت موج و بار ديگر به صورت جريان ذره اي نمودار شود . اما اين دقيقاَ خصوصيات فيزيك جديد در قرن بيستم است .البته مي توامسير جريانات را در سرزمين اتمها از طريق رياضيات محاسبه كرد .براي اين منظور معامله اي وجود دارد كه مي توان با آن انرژي نو را با توجه به طول موج آن محاسبه كرد ،ولي تصور و تخيل ما اغلب اوقات براي درك سير تحولات طبيعي در قلمر و كوچكترينها و سريعترينها محدود و ناتوان است .

شايد مغز ما و به پيروي از آن نيروي تصور و تخيل ما از ابتدا براي درك مسايلي چون اتمها و كيهان پيش بيني نشده بوده و بلكه براي اين بوده كه فرضاً در جستجوي غذاي خودباشيم ،و يا اينكه كه غارخود را پيدا كنيم ،يا اينكه حيوان درنده اي مثل شير را در جنگل تشخيص دهيم و به عبارت ديگر چيزهايي را تجزيه و تحليل و ارزيابي كنيم كه يك سانتيمتر، يك متر و يا يك كيلو متر اندازه دارند و سريعتر از 100كيلو متر در ساعت حر كت نمي كنند.

دستگاه مرجع لخت:

دستگاه مرجع يعني محورهاي مختصاتي كه حركت جسم نسبت به آنها سنجيده مي شود. يعني ناظر روي مركز اين چهارچوب مختصات نشسته و حركت جسم را نگاه مي كند. دستگاههاي مرجعي كه در آنها قانون اول نيوتن مشاهده مي شود، دستگا ههاي مرجع اينرسيال يا لخت ناميد ه مي شوند. ويژگي اين دستگاه شتابدار نبودن آن است. مثلاً در اكثر مواقع ز مين را به عنوان يك دستگاه مرجع لخت در نظر مي گيرند. اما زمين تنها مرجع لخت نيست و تعداد نامحدودي از اين دستگا هها وجود دار د. مثلا قايقي كه با سرعت ثابت از ساحل د ور مي شود مي تواند يك دستگاه مرجع لخت ديگر باشد. به طور كلي هر دستگاه مرجعي كه نسبت به يك دستگاه لخت ديگر(مثل زمين ) حركت مستقيم الخط انتقالي حركت كند نيز دستگاه لخت است . مثلاً اگر همين قايق با شتاب ثابت حرکت کند ديگر بعنوان دستگاه مرجع لخت معتبر نيست.در حد آزمايشهايي كه روي زمين انجام ميشود، زمين مي تواند يك دستگاه مرجع لخت به حساب بيايد اما در آزمايش هاي دقيق تر و يا بيرون از سطح زمين اين فرض معتبر نيست، چون زمين يك حركت دوراني حول محور خود و يك حركت چرخشي دور خورشيد دارد . اين دو حركت باعث مي شود زمين از ديد ناظري كه مثلاً روي خورشيد نشسته يك جسم شتابدار به نظر آيد كه نميتواند به عنوان مرجع لخت در نظر گرفته شود . در چنين آزمايشهايي خورشيد يا يك ستاره به عنوان مرجع لخت در نظر گرفته مي شوند كه البته باز هم اين يك انتخاب اساسي نيست چون خورشيد همراه منظومه شمسي در داخل كهكشان حركت مي كند. اما اين ملاحظات اصولاً به كار نمي آيد. به عنوان مثال زمين گرچه داراي حركت چرخشي است اما سرعت حركت آن چندان كُند است كه معمولاً قابل مشاهده نيست. از جمله آزمايشهايي كه در آن اثر چرخش زمين در آن ديده مي شوند توسط فوكو دانشمند فرانسوي انجام شد كه توانست آونگ بلندي بسازد كه بدون آنكه در اثر مقاومت هوا متوقف شود مدام نوسان كند اين آونگ كه به اسم آونگ فوكو معروف است صفحة حر كتش در طي روز عوض ميشود بطور يكه بعد از حدود يك رو ز صفحة حركت آن يك دور كامل عوض شده است  (اين در حالي است كه آونگ در قطب زمين نصب شده باشد. ) اين تغيير به خاطر وجود نيروهاي مجازي است كه به علت حركت چرخشي زمين وارد مسئله ميشوند و يك حركت مماسي عمود بر صفحه نوسان آونگ به گلولة آونگ مي دهند كه توسط ناظر زميني

در اينجا به عنوان يك ناظر غير لخت مشاهده مي شود. نمونة اين آونگ در ساختمان دانشكدة فيزيك دانشگاه صنعتي شريف نصب شده است.

 انواع نیروها در فیزیک دبیرستان

نيروهايي كه به يك جسم اثر م يكنند در شكل كلي به دو صورت ظاهر مي شوند.

الف) نيروهاي تماسي ·    ب) نيروهاي ميداني ·

نيروهاي تماسي، نيروهايي هستند كه در اثر تماس فيزيكي جسم با اجسام ديگر ظاهر ميشود، مثلاً تا وقتي جسمي را روي ميز نگذاريم، ميز به جسم نيروي عمودي سطح وارد نم يكند و يا يك جسم تا در مايع قرار نگيرد از طرف مايع نيروي ارشميدس رو به بالا به آن وارد نميشود. در اين موارد اجسام در اثر تماس مستقيم با هم در اندركنش هستند.

نيروهاي ميداني، نيروهايي هستند كه لازم به تماس دو جسم با هم نيست بلكه نيرو از طريق يك ميدان جسم را تحت تأثير قرار ميدهد. حتماً عباراتي چون ميدان الكتريكي، ميدان مغناطيسي و ميدان گرانشي را شنيد ه ايد؛ بله مثلاً اجسام از طريق ميدان گرانشي كه اطراف خود بوجود ميآورند، ديگر اجسام جرم دار را تحت تأثير نيروي گرانش خود قرار م يدهند. مثلاً يك جسم لازم نيست روي زمين باشد تا نيروي وزن به آن وارد شود ، بلكه مادامي كه در ميدان گرانش زمين قرار گرفته به سمت مركز زمين به آن نيروي وزن وارد ميشود. اين دسته بندي كلي نيروها رهيافتي براي شناخت نيروهايي است كه به يك جسم وارد ميشود.

اما دسته بندي علمي و دقيق نيروها به اين شكل است:

1. نيروهاي گرانشي  2. نيروهاي الكترومغناطيس  3. نيروي برهمكنش ضعيف 4. نيروي برهمكنش قوي

گرانش و الكترومغناطيس ميتوانند در بردهاي طولاني اثر كنند. چون فقط با عكس مجذور فاصله كاهش مي يابند. تفاوت اين دو نيرو در منشأ آنها است. نيروي گرانش به خاطر جرم دو جسم است. يعني هر جسم جرم دار ميدان گرانشي، اطراف خود پديد ميآورد كه اجسام جر مدار ديگر را تحت تأثير خود قرار ميدهد: اين نيرو به اين شكل است:

                                                        F_G=(Gm₁m₂)/r²

اين همان نيرويي است كه سبب چرخش زمين و ساير سيارات به دور خورشيد ميشود. چون جرم اجسام مثبت است و اصولاً تاكنون ضد ماده با جرم منفي ديده نشده است، نيروي گرانش همواره از نوع جاذبه است . G .  ثابت گرانش جهاني است و مقدار آن برابر است با    G=6/67*10^-11  (N.m²/Kg²)  كه از ثابتهاي مهم فيزيكي محسوب ميشود.

منشأ نيروي الكترومغناطيس، بار الكتريكي اجسام است كه بخش الكتريكي آن را به نام نيروي كولني شنيده ايد و رابطه آن به شكل  مقابل است:                                      F_E=(Kq₁q₂)r² 

چون اجسام هم ميتوانند بار الكتريكي مثبت و منفي داشته باشند اين نيرو به شكل جاذبه و دافعه ظاهر ميشود اين نيرو همان نيرويي است كه ساختار اتم را تشكيل ميدهد و سبب چرخش الكترون به دور هسته ميشود.

 K ثابت ديگري است كه قدرت برهمكنش الكتريكي را نشان ميدهد و مقدار آن برابر

است با:        K= 9*10⁹

 با مقايسه مقدار دو ثابت k و Gمي توان فهميد كه چرا ما در تجربه روزمره ربايش الكتريكي بين  شانه و موهاي سر را

 مي بينيم، اما جاذبه گرانش بين اين دو را نديد هايم و تجربه نيروي گرانشي ما تنها به نيروي وزن كه بين اجسام و زمين كه يك جرم بسيار بزرگ است محدود ميشود.

نكته اي كه بايد به آن توجه داشت اين است كه در مقياسهاي بزرگ اجسام از نظر الكتريكي خنثي هستند. اما همچنان جرم دارند. از اين رو نيروهاي الكتريكي در سيستمهاي بزرگ يكديگر را خنثي مي كنند اما نيروي گرانش همچنان وجود دارد. به اين دليل نيروهاي گرانشي در مقياس كيهاني بر جهان تسلط دارند. برعكس، جهان نزديك ما تحت تأثير نيروهاي الكتريكي است . چون در مقياس اتمي از نيروي گرانشي خيلي قويترند . جالب است بدانيد به جز نيروي وزن تمام نيروهاي ديگري كه در فيزيك كلاسيك خود يعني در دبيرستان با آنها سر و كار داريد منشأ الكتريكي دارند، از آ ن جمله هستند نيروي كشش نخ، ارشميدس، كشش فنر ، عمودي سطح، اصطكاك و غيره. در مقابل برد برهمكنش نيروهاي ضعيف و قوي آنچنان كوتاه است كه فقط در فواصل هسته اي 10^-15  متر  حائز اهميت است  متر و حتي در فواصل اتمي  یعنی 10^-10  متر قابل اغماضند.

اندركنشهاي قوي در فواصل هسته اي از نيروي الكترومغناطيس بسيار قويترند و همين نيروها باعث پايداري هسته ميشوند كه در آن تنها بارهاي الكتريكي مثبت قرار دارد. اندركنشهاي ضعيف نقش بسيار كمي در جهان دارند و عامل پيدايش و ناجوري نوترينوها، اين نيروها هستند.

               چند تست برای القای مغناطیسی

1-در يك موله جريان تغيير شار مغناطيسي كه سبب پيدايش جريان مي شود در اثر چه عاملي حاصل ميشود.  

1)تغيير شدت ميدان مغناطيسي (B)                                  2) تغيير سطح قاب مستطيل شكل حامل سيم پيچه (A)

3) تغيير زاويه بين راستاي خطوط ميدان مغناطيسي و راستاي خط عمود بر سطح قاب          4) هر سه عامل

2-يك سيم راست بطول 10 سانتي متر با سرعت ثابت  10 متر بر ثانيه در يك ميدان مغناطسي يكنواخت به شدت 1/0 تسلا خطوط ميدان حركت مي كند.نيروي محركه القايي در سيم چند ولت است؟              

1) 1 ولت                          2) 01/0 ولت                       3) 1/0 ولت                                4) 10 ولت

3-شدت جريان القايي كه در يك سيم پيچ ايجاد ميشود با تغيير فلو و مقاومت الكتريكي سيم پيچ به ترتيب از راست به چپ چه نسبتي دارد؟                                                                                   

1) معكوس – معكوس                       2) مستقيم – مستقيم              3) مستقيم – معكوس           4) معكوس – مستقيم

4-كداميك از مفاهيم زير صحيح بيان شده اند:                                                      

1)بر بار الكتريكي متحرك در ميدان مغناطيسي هميشه نيرو وارد ميشود

2)بردار ميدان مغناطيسي مماسي بر خطوط ميدان مغناطيسي ميباشد

3)مجموع خطوط القايي كه از واحد سطح ميگذرد شار مغناطيسي ناميده ميشود  

4) هر سه بيان صحيح ميباشد

5-اثر خود القايي در كداميك از وسايل زير شديدتر است؟                                                        

1)سيم پيچ بدون هسته متصل به برق شهر                       2)سيم پيچ با هسته آهني متصل به باتري اتومبيل

3)مبدلي متصل به برق شهر كه از آن استفاده ميشود      4) مبدلي متصل به برق شهر كه از آن استفاده نميشود.

6-اگر سيم راستي بطول 20 سانتيمتر با سرعت ثابت 40 متر بر ثانيه در يك ميدان مغناطيسي بشدت 2000 گوس عمود بر راستاي خطوط ميدان حركت كند نيروي محركه القايي كه در آن توليد ميشود چند ولت خواهد بود؟           

1)  16/0                              2) 6/1                                  3) 16                     4) 160

7-مقدار الكتريسته القايي كه از يك سيم پيچ ايجاد ميشود با تغيير شار مغناطيسي و مقاومت الكتريكي سيم پيچ به ترتيب از راست به چپ چه نسبتي دارد؟                                                                                            

1)مستقيم – مستقيم                    2) معكوس –معكوس                   3) معكوس – مستقيم                    4) مستقيم – معكوس

8-از سيم پيچي جريان متغيري طبق رابطه  I=2t+1    (I بر حسب آمپر و t بر حسب ثانيه ) مي گذرد هر گاه ضريب خود القايي مدار L=0/05 H باشد اندازه نيروي محركه القايي در اين سيم پيچ چند ولت است؟                     

1) 01/0                                  2) 05/0                            3) 1/0                              4) صفر

12-يك قطعه سيم مسي در ميدان مغناطيسي يكنواختي عمود بر خطوط نيروي ميدان قرار گرفته است هرگاه از اين سيم جريان مستقيمي بگذرد نيروي وارد از اطراف ميدان بر أن                           

1)صفر است     2)در امتداد جريان است    3)در امتداد ميدان است     4)در امتداد عمود برسطح حاصل از ميدان وجريان است

                  چند تست برای مغناطیس

1-از سيم راستي جريان پيوسته 5آمپر ميگذرد اندازه شدت ميدان مغناطيسي در فاصله يك سانتي متري از سيم چند تسلا

     1)  10^-6                   2)  10^-4                        3) 10^-5                        4)   10^-3

2-ذره بارداري در حركت است و در اطراف خود ميدان الكتريكي و ميدان مغناطيسي ايجاد مي كند اگر ذره كاملا متوقف شود

1)فقط ميدان مغناطيسي باقي مي ماند                                      2)فقط ميدان الكتريكي باقي مي ماند

3)هم ميدان الكتريكي و هم ميدان مغنا طيسي از بين ميرود        4)هم ميدان الكتريكي و هم ميدان مغناطيسي باقي مي ماند

3-طول سيم پيچ Aدو برابر سيم پيچ Bوتعداد حلقه هاي آن نصف تعداد حلقه هاي Bميباشد اگر شدت جرياني كه از اين دو سيم پيچ مي گذرد برابر باشند و شدت ميدان مغناطيسي حاصل از اين دو جريان درون سيم پيچ ها را به ترتيب  B_B,B_A  نمايش دهيم نسب  B_A/B_B  چقدر است؟             

      1)  4                           2)  2                                 3)  5/0                              4)   25/0  

4-الكنروني با سرعت 10⁷  متر بر ثانيه وارد ميدان مغناطيسي  يكنواختي به شدت 10^-3  تسلا مي شود در صورتي كه راستاي حركت الكنرون با راستاي ميدان زاويه 30 درجه  بسازد وبار الكنريكي الكترون 1/6*10^-19    كولن باشدنيروي وارد بر آن چند نيوتن خواهد بود؟    

1)  1/6*10^-15                     2)  1/6*10^-16                     3)  8*10^-15                                        4)  8*10^-16

5-الكتروني با سرعت vبطور عمود بر خطوط نيرو  وارد ميدان مغناطيسي يكنواخت شود در اثر نيروي الكترو مغناطيسي وارد بر الكترون سرعت آن…………

 1)زياد ميشود              2)كمتر ميشود                  3)تغيير نمي كند                  4)ممكن است كم يا زياد شود                   

6-خاصيت مغناطيس القايي در آهن و فولاد به ترتيب از راست به چپ كدام است؟

1)دائمي  موقت            2)موقتي   دائمي          3)موقتي   موقتي       4)دائمي   دائمي       

7-شدت ميدان مغناطيسي در مركز يك مدار دايره شكل بقطر4 سانتي متر كه از آن جرياني به شدت 4آمپر ميگذرد چند تسلا است؟

1)  4p*10^-5                                2) 2p*10^-5                           3) 4*10^-5                         4)  2*10^-5 

8-كدام يك از وسايل زير وقتي از آن جريان پيوسته عبور مي كند مي تواند ميدان مغناطيسي يكنواخت ايجاد كند ؟

1)سيم پيچ (سيم لوله)طويل در اطراف خود                                                 2)سيم لوله طويل درون خود    

3)سيم لوله كوتاه در درون خود                                                                    4)سيم راست طويل در اطراف خود    

9-بر كدام يك از نامبرده هاي زير ميدان مغناطيسي بي اثر است؟

1)بار الكتريكي متحرك               2)بار الكتريكي ساكن         3)آهن رباي دائمي متحرك              4)آهن رباي دائمي ساكن 

10-سيمي در راستاي شمال وجنوب كشيده شده است و جرياني از سوي شمال به جنوب از آن مي گذرد ميدان مغناطيسي حاصل از جريان در يك نقطه بالاي اين سيم در كدام جهت است؟

1)جنوب                         2)شمال                                  3)مشرق                  4)مغرب                                  

11-سيم مستقيمي به طول 10 سانتيمتر  در ميدان مغناطيسي يكنواختي به شدت 01/0 تسلا در امتدادي كه با خطوط ميدان زاويه 30 ميسازد قرار دارد اگر از اين سيم جريان 4/0آمپر عبور كند نيروي وارد بر آن از طرف ميدان مغناطيسي چند نيوتن خواهد بود؟

1)  2*10^-4                           2)   02/0                         3)                              4)     

12-از سيم راستي جريان پيوسته 5 آمپري مي گذرد اندازه شدت ميدان مغناطيسي در فاصله يك سانتيمتري از سيم چند تسلا است؟             1)  10^-6                      2)  10^-5                            3)  10^-4                                 4) 10^-3

13-يك ميله آهن ربا را از وسط نصف مي كنيم هر نيمه آن چگونه است؟                                      

1)آهنربايي كه دو قطب هم نام دارد                    2)آهن ربايي كه فقط يك قطب دارد  

 3)خاصيت آهن ربايي ندارد                                                4)يك آهن رباي كامل

14-سيمي در امتداد قائم آويخته شده است و از آن جرياني از پايين بطرف بالا عبور مي دهيم نيروي وارد از طرف ميدان مغناطيسي زمين بر اين سيم به كدام جهت است؟                 

      1)جنوب                  2)شمال              3)مشرق              4)مغرب        

15-يك آهن و يك آهن ربا كه از نظر ظاهر كاملا مشابهند در اختيار داريم تنها با ملاحظه نيروي اين دو بر يكديگر كدام گزينه درباره تشخيص آهن از آهن ربا و تشخيص قطب هاي آهن ربا درست است؟

1)آهن ربا مشخص شده ولي قطب ها مشخص نميشود         2)آهن رباو قطبهايش مشخص شود  

3)نه آهن ربا و نه قطب مشخص نمي شود                            4)اظهار نظر قطعي ميسر نيست                  

16-در نقطه اي به فاصله dاز يك سيم راست بلند كه جريان الكتريكي از آن ميگذرد ميدان مغناطيسي Bاست اگر فاصله سيم از آن نقطه دو برابر شود ميدان در آن نقطه چند برابر ميشود؟

1)   5/0                         2)  25/0                          3)2                                      4)4                              

17-فرض كنيد در فضايي ميداني مغناطيسي از غرب به سمت شرق ممتد باشد اگر يك بار الكتريكي مثبت در خلاف جهت ميدان مغناطيسي در اين فضا حركت كند نيروي وارد بر بار چگونه  است؟

1)رو به جنوب اثر مي كند           2)رو به شمال اثر ميكند           3)صفر است          4)نيرو در جهت ميدان بر ذره اثر مي كند

18-فرض كنيد يك ميدان مغناطيسي عمود بر صفحه كاغذ و رو به داخل داشته باشيم هرگاه بر ذره اي كه با سرعت در جهت مثبت محور xحركت ميكند نيرويي در جهت منفي محور yها اثر كند اين ذره چه ميتواند باشد؟                

1)آلفا         2)الكترون        3)پروتون      4)نوترون                                                

19-جريان تقريبا چند آمپري از سيم لوله اي كه در هر سانتي متر طولش 12 حلقه دارد عبور كند تا ميدان مغناطيسي داخل آن

  3*10^-3    تسلا شود؟                    

   1)4/0                       2)2/0                      3)2                   4)4              

20-اگر يك دسته الكترون در راستاي افقي به طرف شما بيايد و ضمن عبور از يك ميدان مغناطيسي به طرف چپ منحرف شود جهت ميدان مغناطيسي چگونه است؟                 1)بالا به پايين       2)پايين به بالا        3)چپ به راست       4)راست به چپ                   

21-يك عقربه مغناطيسي كه بتواند آزادانه حركت كند در يك ميدان مغناطيسي چگونه قرار ميگيرد؟                      

1)زاويه عقربه با ميدان به اندازه زاويه ميل است                   2)زاويه عقربه با ميدان به اندازه زاويه انحراف است

3)مماس بر خطوط ميدان و جهت ميدان از Nبه S             4)مماس بر خطوط ميدان و جهت ميدان و جهت ميدان از SبهN

22-نيروي وارده از طرف ميدان مغناطيسي بر يك الكترون متحرك چگونه است؟                                                  

1)در جهت ميدان و عمود بر مسير                        2)در راستاي ميدان      

3)عمود بر ميدان عمود بر مسير                            4)عمود بر ميدان ودر جهت حركت

23-ميدان مغناطيسي در مركز حلقه اي به شعاع 30 سانتي متر كه از آن جريان 5 آمپر مي گذرد تقريبا چند تسلا است؟

1)  10^-5                        2)  10^-7                          3)  2*10^-5                          4)    3*10^-7 

24-از دو سيم راست و موازي A,Bبه ترتيب جريان هاي 2و3 آمپر در يك جهت مي گذرد در كدام نقطه برآيند ميدان هاي مغناطيسي حاصل از دو سيم صفر است؟

1)بين دو سيم نزديك به سيم A                                  2)بين دو سيم نزديك سيم B         

3)خارج از فاصله دو سيم نزديك سيم A                    4)خارج از فاصله دو سيم نزديك سيم B                

25-نوك سوزن فولادي را از رو به رو به قطب Nيك آهن رباي تيغه اي نزديك مي كنيم سوزن چگونه آهنربا ميشود؟     

1)نوك سوزن Nو ته آنSميشود                   2)نوك سوزنSوته آنNميشود  

  3)فقط نوك سوزن Sميشود                        4)فقط نوك سوزن Nميشود

26-كدام گزينه در مورد خواص مغناطيسي آهن و فولاد  نادرست است؟

1)شدت خاصيت مغناطيسي القايي در آهن بيشتر از فولاد است 2)شدت خاصيت مغناطيسي القايي در فولاد بيشتر از آهن است

3)خاصيت مغناطيسي در آهن موقتي اما در فولاد دائمي است   4)آهن و فولاد هر دو فرو مغناطيس هستند       

27-تسلا معادل است با:

1)آمپر بر نيوتن متر               2)آمپر متر بر نيوتن                    3)نيوتن آمپر بر متر                 4)نيوتن بر آمپر متر   

28-در اطراف يك آهن رباي تيغه اي جهت خطوط ميدان مغناطيسي از …… و شدت ميدان مغناطيسي در …….بيشتر است

1)Sبه Nقطبين        2)Sبه Nوسط آهنربا       3)Nبه Sوسط اهن ربا           4)NبهSقطبين                                  

29-جهت نيروي وارده بر ذره باردار مثبت واقع در ميدان مغناطيسي زمين كه بطور قائم از بالا به پايين حركت ميكند به كدام سمت است؟

1)جنوب            2)شمال       3)مشرق            4)غرب                                                                                                        

30-از يك سيم راست و بلندي جريان الكتريكي ميگذرد ميدان مغناطيسي حاصل از آن در يك نقطه با……..متناسب وبا….نقطهاز سيم نسبت عكس دارد

1)مجذور شدت جريان- فاصله                                                    2)شدت جريان –فاصله

3)شدت جريان – مجذور فاصله                                                  4)مجذور شدت جريان – مجذور فاصله            

31-سيم راستي به طول 5/0 متر كه از جريان10آمپر ميگذرد عمود بر خطوط ميدان مغناطيسي يكنواختي به شدت 01/0 تسلا قرار دارد اگر جهت ميدان رو به شمال و جهت جريان رو به شرق باشد نيروي وارد بر سيم چند نيوتن ودر چه جهتي خواهد بود؟

1)25/0,بالا         2)25/0 – پايين            3)05/0-پايين         4)05/0-بالا                                            

32-ذره اي با بار الكتريكي 10^-5 كولن با سرعت 200 متر بر ثانيه در جهت ميدان مغناطيسي در حركت است اگر بزرگي ميدان مغناطيسي 25/0 تسلا باشد نيروي وارد بر ذره از طرف ميدان چند نيوتن است؟

1)صفر                       2) 2/5*10^-4                             3)  5*10^-4                            4)2000