Реферат: Теорема вириала в преподавании физики и астрономии

А. И. Иванов, Л. П. Казанцева

Работа выполнена в предвидении изменения срока и содержания обучения в средней школе. В работе предлагается включить в программу обучения теорему вириала, что будет способствовать усилению связи в преподавании физики и астрономии, генерализации естественнонаучных знаний на основе общих закономерностей. Авторы приглашают к обсуждению целесообразности и возможности включения излагаемого фрагмента в содержание обучения физике и астрономии.

1. Теорема вириала утверждает, что для системы взаимодействующих частиц, находящихся в состоянии динамического равновесия, в том случае, когда все силы, действующие на частицы, являются внутренними по отношению к системе и обратно пропорциональны квадрату расстояния, средняя кинетическая энергия частиц равна половине среднего значения потенциальной энергии системы взаимодействующих тел, взятой с обратным знаком [1], т.е. выполняется равенство

. . . . . . . . . . (1)

Потенциальная энергия взаимодействия тел в гравитационном поле также, как энергия взаимодействия электрических зарядов, является отрицательной [2], в отличие от кинетической, которая является всегда величиной положительной.

Строгое доказательство теоремы вириала достаточно сложно и связано с анализом дифференциальных уравнений, поэтому в условиях средней школы приходится иллюстрировать её на простых примерах.

Пусть искусственный спутник массой m движется со скоростью по замкнутой траектории на среднем расстоянии от центра Земли, имеющей массу . Кинетическая энергия спутника равна

=,

а его потенциальная энергия

= - ,

где - гравитационная постоянная.

При движении спутника в гравитационном поле Земли на него действует центростремительная сила

=

Центростремительной силой, удерживающей спутник около Земли, является сила тяготения, обусловленная гравитационным взаимодействием между Землёй и спутником. По абсолютной величине она равна:

=

Следовательно, имеет место равенство

= . . . . . . . . . . . .(2)

Умножив обе части этого равенства на , получим

=. . . . . . . . . . . (3)

Таким образом, для энергетического состояния системы "Земля - спутник" справедлива теорема вириала.

В работе [3] применена теорема вириала при исследовании энергетического состояния лёгких атомов и их ионов. Результаты вычисления при этом хорошо согласуются с экспериментальными данными.

2. "Висячий" спутник Земли.

Для осуществления устойчивой межконтинентальной радио- и телевизионной связи в настоящее время широко используется искусственный спутник Земли.

Поставим себе задачу: на какую высоту следует "забросить" над экватором искусственный спутник Земли, чтобы он неподвижно висел для наблюдателя, находящегося на Земле? Конечно, в этом случае спутник и точка его запуска на экваторе должны двигаться в пространстве с одинаковой угловой скоростью.

Теорема вириала в этом случае будет иметь вид

=,

где: m - масса спутника,

- масса Земли, равная

- гравитационная постоянная

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--