Физические явления в вакууме

Министерство образования и науки РБ.

ГБОУ “Республиканская кадетская школа-интернат”

Проект на тему

“Физические явления в вакууме”

Подготовил: Астапов В.Н.,

ученик 10-ого класса

Руководитель: Рабдаева Валентина Дабажалсановна, учитель физики

г. Улан-удэ

2021г.

Паспорт проекта

Название проекта: Физические явления в вакууме.

Руководитель проекта: Рабдаева В.Д

Автор проекта : Астапов Вадим, ученик 10 класса

Учебная дисциплина: Физика

Тип проекта: информационно-исследовательский

Цель работы: Узнать о физических явлениях в вакууме методом экспериментального исследования.

Задачи, которые я поставил перед собой:

1. Узнать о физических явлениях в вакууме методом экспериментального исследования;

2. Создать фотоматериал, демонстрирующий явления в вакууме.

Краткое содержание проекта: Получение информации о разных физических явлениях в вакууме.

Результат проекта: Получение знаний.

Реализация проекта: 1 год.

Оглавление

Введение 4

I Вакуум – что это такое? 4

1.1Кто открыл вакуум? 5

1.2 Теория ………………………………………………………………………… 6

II. Исследование различных физических явлений в вакууме 14

2.1 Расширение тел в вакууме 14

2.2 Тепловые явления в вакууме 16

2.3 Электричество в вакууме………………………………………………… 18

2.4 Звук в вакууме 19

III. Заключение 21

Литература и источники…...………….……………………………..…… 22

Введение Вакуум – что это такое? Ва́куум (от лат. vacuus — пустой) — пространство, свободное от вещества. В технике и прикладной физике под вакуумом понимают среду, содержащую газ при давлении значительно ниже атмосферного

Вакуум является достаточно загадочной формой материи, которая редко встречается в обыденной жизни. Именно поэтому вакуум так интересен как объект исследования.

Те знания, которые большинство из нас получают, черпаются из голливудских фантастических фильмов, в результате чего возникают вопросы о том, как будут протекать те или иные процессы в вакууме.

Ради зрелищности авторы фильмов идут на искажение научной действительности, и вводят многих в заблуждение.

Данный проект поможет разобраться с этой загадочной средой – вакуумом.

Цель моей работы:показать и объяснить явления, происходящие в вакууме.

Задачи, которые я поставил перед собой:

• Узнать о физических явлениях в вакууме методом экспериментального исследования;

• создать фотоматериал, демонстрирующий явления в вакууме

Актуальность:

• Применение этойметодической разработки, как мне кажется, повысит мотивацию к изучению физики и частично ликвидирует научную неграмотность, которую культивируют красочные голливудские фильмы, а также она может быть использована как материал для факультативных занятий.

Кто открыл вакуум?

Честь открытия вакуума принадлежит итальянскому математику и физику Эванджелисте Торричелли (1608-1647), ученику Галилео Галилея. В 1643 году по поручению Торричелли знаменитый опыт провел итальянский физик Вивиани. Он наполнил ртутью длинную стеклянную трубку, закрытую с одного конца, и опустил ее свободным концом в чашку с ртутью. Обнаружилось, что при достаточной длине трубки уровень ртути в ней понижается, а над поверхностью ртути образуется пустота. Торричелли объяснил это явление тем, что давление атмосферы, действующее на поверхность ртути в чашке, уравновешивается весом столба ртути. Высота этого столба на уровне моря составляет около 760 миллиметров. Если длина трубки больше этого значения, над поверхностью ртути образуется пустота. Чтобы доказать, что пространство над ртутью остается пустым, Торричелли впускал в него воду, которая врывалась в это пространство «со страшным напором» и целиком его заполняла. Таким образом Торричелли отверг господствовавшее до того времени объяснение, согласно которому ртуть заполняет трубку, вода заполняет всасывающий трубопровод насосной установки и т. д., потому что «природа боится пустоты», и доказал существование атмосферного давления. Безвоздушное пространство над свободной поверхностью жидкости в закрытом сверху резервуаре называют торричеллиевой пустотой.

Вакуум характеризуется соотношением между длиной свободного пробега молекул газа λ и характерным размером среды d. Под d может приниматься расстояние между стенками вакуумной камеры. В зависимости от величины соотношения λ/d различают низкий (λ/d 1) вакуум.

На практике сильно разреженный газ называют техническим вакуумом. Именно понятие технического вакуума мы будем иметь в виду при описании процессов в вакууме.

Технический вакуум подразделяется на следующие диапазоны.

	Давление (мм.рт.ст.)	Давление (Па)
Атмосферное давление	760	1,013×105
Низкий вакуум	от 760 до 25	от 1×105 до 1×101
Средний вакуум	от 25 до 1×10−3	от 1×101 до 1×10−3
Высокий вакуум	от 1×10−3 до 1×10−9	от 1×10−3 до 1×10−6

Аппараты, используемые для достижения и поддержания вакуума, называются вакуумными насосами. В нашей работе мы используем вакуумный насос Комовского. Он позволяет получать вакуум с остаточным давлением в 133 Па, что составляет всего 0,1% от атмосферного давления.

По представлениям современной науки, реальный (физический) вакуум - это не пустота или «отсутствие всякого присутствия». Отказ от представлений о вакууме, как о пустоте является концептуальным положением современной физики. В настоящее время экспериментальным фактом можно считать утверждение о том, что вакуум - среда с очень сложной структурой, которая изменялась в ходе эволюции Вселенной и которую можно перестраивать путем изменения состояний материи, взаимодействующей с вакуумом, конкретно - путем концентрации энергии в малых областях пространства. Такая концентрация энергии изменяет не только ситуацию в системе частиц, но и саму структуру пространства. Это утверждение отражает тот факт, что вакуум является характеристикой самого пространства - времени.

Вакуум представляет собой сложный физический объект, в котором непрерывно происходит рождение и уничтожение виртуальных частиц (материализованных порций энергии). Вакуум является динамической системой, обладающей некоторой энергией, которая все время перераспределяется между виртуальными (воображаемыми) частицами.

Представление о вакууме как непрерывной активности содержащихся в нем виртуальных частиц вытекает из принципа неопределенности Гейзенберга. Принцип неопределенности Гейзенберга имеет такое выражение: ΔE · Δt  h. Согласно этому, квантовые эффекты могут на время нарушать закон сохранения энергии. В течение короткого времени t энергия, взятая как бы «взаймы», может расходоваться на рождение короткоживущих частиц, исчезающих при возвращении «займа» энергии. Это и есть виртуальные частицы. Возникая из «ничего», они снова возвращаются в «ничто». Так, что вакуум в физике оказывается не пустым, а представляет собой море рождающихся и тут же гасящихся всплесков, - виртуальных частиц.

Однако воспользоваться энергией вакуума мы не можем, так как это есть наинизшее энергетическое состояние полей. При наличии внешнего источника энергии можно реализовать возбужденные состояния полей - тогда будут наблюдаться обычные (не виртуальные) частицы. Вакуум поляризуется внешним полем, и поле может порождать из вакуума пары различных частиц, причем легче всего рождаются самые легкие, т.е. электронно-позитронные пары. Такие пары интенсивно порождаются в поле с напряженностью E₀, работа которого на расстоянии комптоновской длины волны l=ћ/mc≈3∙10^-11 см порядка энергии покоя пары равной 2mc²≅10⁶ эВ, т.е. А=F·l=eE₀·  . Отсюда для нахождения образования одной частицы можем написать eE₀ ћ/mc≅ mc² или E₀ ≅  ≅3·10¹⁶ В/см.

Пары достаточно быстро, хотя и не в катастрофическом темпе, могут рождаться и в более слабых полях. Поэтому достижение полей, например, с E₀ ≅10¹⁴ В/см уже позволило бы, вероятно, наблюдать рождение пар в вакууме.

Вакуум поляризуется не только сильным электрическим полем, но и магнитным полем, причем характерное значение напряженности магнитного поля Н₀ такое же, как и для электрического поля Е₀. В магнитном поле с напряженностью более Н₀ вакуум ведет себя подобно нелинейной анизотропной среде и сильно влияет на распространение электромагнитных волн.

Уравнения, которые открыл Дирак, показывают, что в природе существуют частицы с положительной энергией - электроны и античастицы - позитроны, энергия которых отрицательна. Они рождаются парами электрон-позитрон из физического вакуума. Сам же вакуум представляет собой некоторое латентное (скрытое) состояние электронов и позитронов. В среднем физический вакуум не имеет ни массы, ни заряда, ни каких-либо других физических характеристик. Однако в малых пространственных областях (порядка 10^{- 33} см) вакуума значения физических характеристик могут стать отличными от нуля - на малых расстояниях вакуум спонтанно флуктуирует. В вакууме постоянно происходят процессы рождения и уничтожения частиц и античастиц разного сорта. Образно говоря, в малых пространственно-временных областях вакуум похож на «кипящий бульон», состоящий из элементарных частиц. Поэтому в квантовой теории возникло представление о физическом вакууме как о «квантовой жидкости», находящейся в вечном движении. Такая жидкость описывается уравнениями квантовой гидродинамики и, естественно, обладает упругими свойствами.

Рассмотрим энергетические свойства квантового вакуума. Из соотношения неопределенности и закон сохранения массы-энергии можно рассчитать промежуток времени, соответствующий массе электрона: Δt=10^-21 с. Смысл этих расчетов с точки зрения классической механики кажется безумным: в течение столь малых промежутков времени энергия вакуума испытывает достаточно большие колебания, чтобы за это время из него рождались электроны - и все прочие элементарные частицы.

Такие частицы назвали виртуальными. Индивидуально они никак не проявляют себя, но как системный ансамбль вполне заметно влияют на различие свойства материи (магнитный момент электрона, спектральные характеристики атомов и др.) Таким образом, этот вакуумный виртуальный «туман» - совершенно реальный феномен.

В 1980 г. А.Е. Акимов предложил новую теоретическую модель квантового вакуума. В основу этой модели он положил два постулата. Во-первых, предполагается, что каждый элемент Вселенной - независимо от того, содержит он материальные тела или их там нет, - заполнен свертками из круговых волн электронов и позитронов. Такая свертка, очевидно, обладает нулевым суммарным зарядом; равен нулю у нее и спин, т.к. спины образующих ее частиц направлены навстречу друг к другу.

Второй постулат состоит в том, что нулю равна и суммарная масса свертки. Это следствие закона сохранения массы-энергии при образовании свертки ее масса преобразуется в энергию пары гамма-квантов. Акимов предложил называть эту квантовую систему, имеющую нулевые значения массы, заряда и спина, фитоном. Заметим, что предсказание о неизбежности взаимной аннигиляции электрона и позитрона при их встрече следует из релятивистской теории Дирака.

Фитонная модель квантового вакуума позволяет по-новому объяснить возникновение фундаментальных взаимодействий. Поставим мысленный эксперимент - поместим заряженное электрически тело в фитонный вакуум. Следствием этого будет зарядовая поляризация фитонов, электрические заряды, образующие свертку, уже не будут полностью компенсировать друг друга, а немного сместятся в направлении внешнего поля. Каждая частица начнет раскачиваться вверх и вниз относительно уровня минимальной энергии. Такую зарядовую поляризацию фитонного вакуума можно интерпретировать как электромагнитное поле.

Если в качестве источника возмущения вакуума выбрать не заряд, а массу, то система фитонов приобретет продольную спиновую ориентацию, которая будет соответствовать гравитационному полю. А что произойдет, если источником возмущения будет тело, создающее угловой момент вращения, например, детская игрушка - волчок? Вакуум немедленно отзовется на это - произойдет поперечная спиновая ориентация фитонов.

Оказывается, таким образом, что электромагнитное поле можно понимать, как зарядовую поляризацию вакуума, а гравитационное - как продольные упорядоченные по спину состояния фитонов. В третьем эксперименте мы получили принципиально новый тип фундаментальных взаимодействий - кручение вакуума. Этот тип взаимодействий получила название торсионного (torsion означает кручение).

Существование торсионных полей еще в 1922 г. постулировал Э. Картан. Однако в его теории не учитывались спиновые эффекты и, кроме того, его уравнения не содержали угловых координат. Поэтому он не смог правильно оценить константу этих взаимодействий. Эта задача была в 1980-х годах решена Г.И. Шиповым, который разработал теорию физического вакуума, используя геометрию ученика Г. Римана Ричча, содержащую угловые координаты. Теория Шипова не содержит ограничений на величину константы торсионных взаимодействий. Факт существования в природе этого нового типа полей к настоящему времени подтвержден в многочисленных экспериментах.

Физические свойства торсионных полей уникальны. Во-первых, взаимодействие торсионных квантовых вихрей носит не энергетический, а чисто информационный характер и, следовательно, на них не распространяется следующий из теории относительности запрет на существование сверхсветовых скоростей. Для торсионных полей этот запрет снимается по той причине, что они обладают свойством нелокальности. Во-вторых, по той же самой причине для их интенсивности отсутствует обратная зависимость от квадрата расстояния, как в случае электромагнитных и гравитационных полей. По этим причинам торсионные поля - идеальное средство для связи на межзвездных расстояниях. О возможности использовать их для этой цели свидетельствуют эксперименты, проведенные в разное время Н.А. Козыревым, М.М. Лаврентьевым и А.Ф. Пугачем.

Любое твердое тело, поскольку оно представляет собой ансамбль элементарных частиц, обладающих спином, при ускоренном движении вносит возмущение в «фитонное море», приводя к его поляризации по массе. Это также торсионный эффект, но проявляется он уже не в виде возбуждения торсионных полей, несущих информацию, но не энергию, а в форме возникновения всем хорошо известных сил - сил инерции. Становится, таким образом, ясным механизм возникновения этих сил, триста лет остававшийся нераскрытым. Понятным становится и «внутреннее» родство сил инерции и гравитации, а также равенство инерционной и гравитационной масс - они обусловлены одними и теми же эффектами искривления и кручения физического вакуума.

Механизм возбуждения электромагнитных и торсионных полей также обладает сходными чертами. Это приводит к возникновению еще одного типа комбинированных полей - электроторсионных. Эти поля тоже наблюдаются в экспериментах.

Эксперименты по рождению частиц из физического вакуума показывают, что их массы, заряды, спины или какие-либо другие физические характеристики относительны, появляются и исчезают в процессах рождения из вакуума или ухода в вакуум. В теории физического вакуума эти характеристики определяются через риманову кривизну пространства. Имеется гипотеза о том, что пространство-время может иметь внутреннюю дискретную микроскопическую структуру, поля расслоений описывают дефекты в этой структуре. Эти структуры задают состояние физического вакуума, их называют вакуумными конденсатами.

На нынешнем уровне знаний о природе можно сказать определенно: свойства материи целиком определяются свойствами этих вакуумных структур. Именно поэтому изучение физики вакуума и представляется приоритетной задачей физики XXI в. Сегодня можно утверждать, что, во-первых, формирование конкретных свойств элементарных частиц и их взаимодействий, в частности основных из них протона, нейтрона, электрона и нейтрино, предопределяется состоянием различных вакуумных субструктур и взаимосвязями между ними, а во-вторых, свойства наблюдаемого макромира - геометрические свойства Вселенной в целом, ее крупномасштабная структура, химический состав Вселенной, условия возникновения в ней биологических объектов - определяются свойствами частиц. Отсюда следует, что относительно небольшие изменения в структуре вакуума могут привести к радикальному изменению свойств мира. Параметры вакуумных структур жестко зафиксированы для видимой Вселенной. В этом смысле можно говорить, что вакуумные структуры самоорганизуются единственным образом, который только и позволяет существовать во Вселенной макроскопическим структурам.

Так от размышлений о природе пустоты приходим к постановке проблемы о самоорганизации вакуума. Поэтому для краткой формулировки ситуации в фундаментальной физике на рубеже XX и XXI вв. (или на рубеже II и III тысячелетий), выберем следующие ключевые слова - вакуум и самоорганизация. Заметим, что формирование категории вакуума, как объекта со сложной иерархической внутренней структурой есть результат синтеза геометрической и квантовой концепций физики XX в., а самоорганизация проявляется, как внутреннее свойство физического вакуума, которое нам и предстоит исследовать в XXI в.

Сложные структуры квантового вакуума - та первооснова, которая определяет фундаментальные свойства нашего мира в целом. Особое значение имеет проблема рождения пар частиц из вакуума вблизи сигулярностей в космологических решениях, описывающих эволюцию Вселенной. Вакуум способен порождать не только частицы, но и миры. Самопроизвольные флуктуации вакуума рождают вселенные с разным набором фундаментальных постоянных.

II. Исследование различных физических явлений в вакууме 2.1 Расширение тел в вакууме

Опыт 1. Воздушный шарик

Можно ли надуть шарик, не вдувая в него воздух?

Цель: посмотреть, что происходит с телами, в которых есть воздух при попадании в вакуум.

Материалы и оборудование: Вакуумная тарелка с манометром, стеклянный купол, резиновый шарик, пена для бритья, пенопласт, зефир, вода (газированная и водопроводная), вакуумный насос Комовского.

Надуем немного шарик, завяжем его и положим под колпак. Откачаем из-подколпака воздух.

Наблюдения:

В процессе откачки воздуха замечено, что шарик начинает увеличиваться в объеме.

После того как мы подали воздух обратно в камеру, шарик снова начал уменьшаться в размерах.

Выводы: Шарик надувается, потому что воздух внутри него давит на стенки шарика, а воздух, который раньше уравновешивал это давление, мы откачали. Получилось, что изнутри воздух продолжает давить, а снаружи уже нет. Чем больше наружного воздуха мы откачаем, тем больше раздуется шарик. При подаче воздуха, впущенный воздух стал давить на шарик снаружи, сжимая его до первоначального размера.

Опыт 2. Пена для бритья

Цель: Проверить, все ли тела, в которых есть воздух, будут расширяться. Если взять мыльный пузырь или пену, в которой большое количество пузырьков воздуха, будут ли они увеличиваться в размерах?

Для следующего опыта в качестве испытуемых материалов мы выбрали: пену для бритья, зефир, пенопласт, газированную воду, пупырышки пластиковые.

Наблюдения:

При откачке воздуха пена начинает расти в размерах, заполняя всю камеру. После запуска воздуха в камеру вся получившаяся пена «схлопнулась» и осталось только небольшое количество жидкого крема. Еще меньше чем было первоначально. При повторной откачке воздуха крем уже не увеличивался в размерах. Это говорит о том, что в пене уже не осталось пузырьков воздуха, они все лопнули.

Опыт 3. Зефир жевательный

Гипотеза: зефир не будет надуваться т.к. он не эластичный как резина или мыльный раствор пены. Воздух изнутри просто выйдет, разрывая стенки зефира

Итог: вопреки нашим предположениям зефир стал надуваться так же хорошо, как и пена.

Мы сделали из зефира человечка, которого помещали в вакуум. Получилась забавная модель того, что может произойти с человеком в вакууме. Наш эксперимент мы засняли на видео.

1. Пенопласт

Стенки пенопласта оказались крепки и выдержали тот вакуум, который мы создали.

2.2 Тепловые явления в вакууме

Цель: выяснить какой теплопроводностью, большой или малой, обладает вакуум

Мы поместили под куполом вакуумной установки спираль из проволоки и подали на нее электрический ток. При этом наша проволока нагревалась. Откачивая воздух из-под купола, мы наблюдали за степенью нагрева проволоки по ее цвету.

Наблюдения: при откачке воздуха, проволока раскалялась докрасна. Но когда мы запускали воздух, проволока снова становилась серой и не раскаленной, но по-прежнему оставалась горячей.

Вывод: вакуум очень плохо проводит тепло, поэтому проволока сильно раскалялась, т.к. тепло не могло передаться вакууму. А, когда мы поднимали купол, тепло от проволоки передавалось воздуху, который, поднимаясь вверх, уносил с собой тепло.

Таким образом, вакуум – очень плохой проводник тепла, и все тела там хуже охлаждаются. Это может быть полезно, например, при плавке металлов в вакууме. Тогда для их нагрева до температуры плавления, понадобится гораздо меньше энергии. Также этот принцип работы используют в термосе.

2.3 Электрический ток в вакууме

Электрические приборы в вакууме

Цель: выяснить, измениться ли работа электроприборов в вакууме

Наблюдения: мы помещали в вакуум часы, лампочку, вентилятор, мобильный телефон и пытались визуально определить различия в работе этих приборов. Вентилятор в вакууме работал, но с функцией своей не справляется. Он не гнал воздух, так как нечего было гнать.

Вывод: отсутствие воздуха никак не повлияло на работу электрических приборов, т.к. электрический ток шел внутри проводов, где и так нет воздуха. Поэтому отсутствие воздуха снаружи не влияет на прохождение этого тока внутри.

Электрический разряд в вакууме

Цель: выяснить, как ведет себя электрический разряд в вакууме

Проводит ли вакуум электрический ток? В нем же нет частиц, которые могут переносить заряд.

Гипотеза: нет, в вакууме электрический разряд невозможен, т.к. отсутствуют частицы вещества, по которым будет проходить ток.

Наблюдения: Для проверки гипотезы мы подключили к электродам в вакуумной камере высоковольтное напряжение. В воздухе разряд наблюдается. Дуга издает характерный электрический треск. Цвет электрической дуги – ярко белый с голубоватым оттенком. Из электрода выходят множество ответвлений тока, напоминающие ветку дерева или корневую систему.

По мере откачки характер электрической дуги меняется. Она становиться все уже и уже. Ее цвет изменился с белого до красно – фиолетового оттенка. Из множества ответвлений осталась только одна прямая «дорожка» электричества.

Выводы:

Ответвления тока, которые мы наблюдали в воздухе, говорит о том, что току что-то мешает идти по прямой линии. Возможно, что это молекулы воздуха, встречаясь на пути электрических частиц, искривляют их траекторию, и нагреваются при столкновениях, выделяя энергию – свет и тепло.

2.4 Звук в вакууме

Цель: выяснить, как распространяется звук в вакууме.

Гипотеза: звук в вакууме распространяться может, что мы часто видим в фильмах (космические бои, звук лазеров, взрывы).

Для проверки нашей гипотезы мы собрали установку, состоящую из звукового генератора, динамика и вакуумного купола.

Звуковой генератор воспроизводил через динамик довольно громкий звук с частотой 1000 Гц. Динамик мы установили внутри вакуумной камеры на поролоновую губку для того, чтобы колебания динамика не передавались самой камере. После откачки воздуха звук от динамика практически пропал. Был слышен только очень слабый гул.

Наблюдения и выводы:

Звук – это распространение колебаний воздуха или другого вещества. Но так как в вакууме никакого вещества нет, то и передавать звук нечему.

Мы наблюдали как при откачке воздуха звук становился все тише и тише (звук почти не слышен).

Полностью заглушить звук нам не удалось в связи с недостаточным уровнем разряжения воздуха или из-за того, что колебания от динамика передавались наружу при прикосновении с корпусом вакуумной тарелки.

Если в фильмах с космическими сценами, вы слышите звук, знайте - это антинаучно! В вакууме звук распространяться не может.

III. Заключение

В ходе моей работы я узнал много нового о вакууме и его свойствах. Вакуум широко применяется в технике: это и вакуумное соединение, и дегазация жидкостей, и сушка без нагрева, и плавка металлов, и напыление различных металлов электродугой в вакуумных камерах.

Я вспомнил основные физические закономерности курса физики предыдущих классов, изучая основные закономерности в вакууме, и мне удалось объяснить все наблюдаемые нами явления, происходящие в вакууме.

Таким образом, можно утверждать, что цель моей работы достигнута.

Задачи, которые были поставлены передо мной, были также выполнены.

Литература и источники

1. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%B0%D0%BA%D1%83%D1%83%D0%BC

1. https://kipservis.ru/vuototecnica/obshee_info_vvedenie.htm

1. https://epizodsspace.airbase.ru/bibl/znan/1986/6/6-kos-vak.html

1. https://i-fakt.ru/kto-otkryl-vakuum/

1. https://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=5254

1. https://vacma.ru/info/articles/akademiya-vakuuma/techeiskanie-sposoby-kharakteristiki/