В наблюдателен експеримент. Експерименти за наблюдение на дифракция
Експериментът, при който смущенията бяха ефективно елиминирани, беше проведен по схемата за местоположение на светлината. Експериментът е проведен на едно от най-живописните езера във Владимирска област - езерото Санхар. Размерът на езерото и неговата дълбочина позволяват да се направи акустична пътека с дължина около 300 м с дълбочина на резервоара около 20 м. Повече подробности за това какво представлява пътеката, какви са нейните акустични характеристики и какво оборудване е използвано са описани в работите.
Оптичният метод на тъмното поле може да се пренесе в акустиката. Това изисква акустични антени. голям размер- така наречените фокусирани
антени На ниски честоти, на които е възможно да се изследват океански нехомогенности, фокусираната антена е гигантска, „циклопска“ структура. Въпреки гарантирания и оптически доказан успех на такава структура, изграждането на такива антени, съдейки по литературата, не се планира никъде.
Вече описахме по-горе акустичния метод за филтриране на силен теснолентов сигнал, който нарекохме метод на тъмно поле, тъй като той по принцип ни позволява да решаваме същите проблеми. С негова помощ можете да затъмните полето на мощен, сравнително тяснолентов източник и да наблюдавате малки смущения на средата на фона на сигнала от този източник. За прилагането на този метод е достатъчна малка антена, фокусируема антена големи размерине е задължително. Размерът на антената трябва да осигурява необходимата ъглова разделителна способност на наблюдаваните нехомогенности. Въпреки това, този метод работи ефективно, когато има само големи обемни нехомогенности, които създават смущения на пространственото поле с малък ъгъл. При плитки морски условия разсейването на вълните от грапавата повърхност и неравностите на морското дъно играе основна роля. Такива структури разпръскват падащо лъчение върху широк сектор от ъгли.
Проблемът с разсейването на акустичните вълни в плитко море от повърхността и дъното на морето има ясна оптична аналогия. Тя се крие във феномена от син цвятнебе, което ни пречи да видим звездите през деня. Флуктуациите във въздушните молекули разсейват светлината под ъгли, широки колкото повърхността на морето. В космоса, където почти няма разсейватели, звездите се виждат дори през деня, тъй като нашият зрителен апарат е в състояние да филтрира добре пряката светлина. слънчева светлина. През деня, на повърхността на земята, това не може да се направи.
По същата причина в плитки морски условия описаният по-горе метод на тъмно поле става почти безполезен.
Тук ние говорим заотносно модификацията на метода на филтриране за силен теснолентов сигнал. Описаният модифициран метод на тъмно поле се основава на използването на тесен спектър от смущения във времевата област. Такъв филтър може да се приложи различни методи. Спряхме се на използването на изваждане на стойностите на сигнала в референтни точки във времето, разположени на някакво дискретно разстояние.По-конкретно, бяха използвани два филтъра, в единия от които минималната стойност беше единица, а в другия случай филтър с единици беше използван. Тези филтри направиха възможно получаването на различни резултати с почти еднаква устойчивост на шум. Филтър с кратко време направи възможно изследването на разсейваща повърхност, върху която има точкови разпръсквачи, а филтър с дълго време направи възможно изследването на голяма хетерогенност. В този раздел ще се ограничим до случая на точково разсейване и ще разгледаме наблюдението на разширено разсейващо устройство в следващата глава.
Описаният метод, при естествени условия на интензивна реверберация, направи възможно затъмняването на полето на флуктуиращ директен сигнал и съпътстващата интерференция по отношение на директното поле на излъчвателя, осветяващ антената с 60 dB. Имайте предвид, че най-добрите съществуващи адаптивни методи успяха да затъмнят акустичното поле на излъчвателя в условия на интензивна реверберация с не повече от 30 dB.
Ще покажем същността на метода на конкретен пример. В акустичния вълновод ще поставим мощен излъчвател на монохроматичен сигнал за осветяване на нехомогенности. За да наблюдаваме нееднородности, ще поставим акустична антена на определено разстояние от излъчвателя. Нека това е линейна хоризонтална антена, състояща се от редица равноотдалечени приемни елементи (антена
Ориз. 2.10. Диаграма на експеримента: 1 - излъчвател, 2-2 - линия на разположение на приемните елементи на антенната решетка, 3-3 - линия на движение на дифузора.
решетка). Едно монохроматично трептене има само два параметъра, които могат да варират от точка до точка и във времето - амплитуда и фаза. И двата параметъра могат да бъдат записани като едно комплексно число, наречено комплексна амплитуда. Модулът му е равен на амплитудата на трептенето в акустичното поле, а аргументът е равен на фазата. Експериментът е проведен на два етапа. На първия етап стойностите на комплексните амплитуди на сигнала бяха записани във всичките 64 елемента на акустичната антенна решетка за определен интервал от време. На втория етап бяха обработени акустичните сигнали, записани на първия етап.
Първият етап включваше следните операции. Първо, сигналите, получени от всеки хидрофон, бяха филтрирани в рамките на лента от ±3 Hz от всяка семплирана честота, идваща от излъчвателя. Второ, филтрираните сигнали се смесват с излъчения честотен сигнал, като по този начин се формират сигнали за разлика в честотата в два квадратурни канала. В единия квадратурен канал сигналът беше, а в другия където А е амплитудата на получения сигнал, а е неговата фаза. Сигналите от двата квадратурни канала бяха записани цифрово с помощта на компютър. Такава предварителна обработка на сигнали направи възможно получаването на запис на сигнали от антената във форма, еквивалентна на комплексните амплитуди, разглеждани в - запис на пълното поле или холограма на получения акустичен сигнал, което позволява последваща обработка за получаване на същите резултати както при съответната обработка на директно полученото акустично поле.
Нека се спрем на зависимостта на сигналите от времето, тъй като това се използва при филтрирането. Както беше отбелязано по-горе, беше излъчен чисто монохроматичен сигнал. Това не означава, че точно същият сигнал ще бъде получен от приемния елемент на антената. Такъв дифузьор, като повърхността на морето, не е неподвижен. Движението на разсейвателя води до изместване на честотата на получения сигнал в съответствие с ефекта на Доплер. Тъй като сигналът се получава от много разпръсквачи, разположени под различни ъгли спрямо пътя на разпространение на сигнала и движещи се по различен начин, времевата честота на получения сигнал ще бъде замъглена. Съхранихме тази информация, като избрахме честотата на квантуване на записаните сигнали. За да се избегне неяснота при приемане на трептения, филтрирането се извършва с честотна лента от 3 Hz (с носеща честота от около 3 kHz).
Като най-прост модел ще изберем наблюдението на единичен разпръсквач, осветен от плоска вълна, движещ се по права траектория, както е показано на фиг. 2.10. Обектът, който трябваше да се наблюдава, който беше разпръсквач, се движеше в посока напречно на пътя, което доведе до изместване на честотата. Нека намерим това честотно изместване въз основа на параметрите на движение на обекта. (Този модел ще ни позволи не само да покажем ефекта от трансформацията, но и да получим сигнала за калибриране, необходим за оценка на големината на наблюдаваните нехомогенности). Нека дифузьорът 4 се движи с постоянна скорост между излъчвателя 1 и приемната антена 2-2 по пътя 3-3 (виж фиг. 2.10). Ще намерим
комплексната амплитуда на разсеяното поле, излъчвано от движещ се разпръсквач върху всеки елемент на приемната антена. Нека въведем следните геометрични параметри:
Разстояние от дифузора до приемната точка, където е координатата на приемния елемент на антената (виж фиг. 2.10);
Дължината на пътя, изминат от дифузора, когато се движи по траекторията, е 3-3;
Разстояние от пътя на разсейвателя до антената (виж фиг. 2.10).
Използвайки приетите обозначения и предположения, получаваме
къде е времето.
Фазата на сигнала, пристигаща от разсейвателя във всяка приемна точка, в резултат на промяна на разстоянието, ще зависи от времето като
където X е дължината на вълната.
Да приемем, че излъчвателят е разположен толкова далеч от антената, че директното поле, което създава, има фазова разлика между съседни елементи на антенната решетка, която не зависи от номера на антенния елемент (последствие от факта, че антената не може да се фокусира). Нека тази фаза е независима от времето (излъчвателят и антената са неподвижни) и за определеност е равна на нула. Ще получим желаната комплексна амплитуда (с точност до постоянна фаза и множител на постоянна амплитуда, които не влияят на алгоритъма за обработка), като използваме следната формула:
където е директното поле на излъчвателя към антената.
Изразът (2.3.3) е математически моделсигнал, идващ от точково разпръскващ обект. Може да се използва не само за изясняване на ситуацията, но и за математическо моделиранеразпръскващ обект. От получения израз следва, че разсеяният сигнал може да бъде филтриран, тъй като неговият спектър поради ефекта на Доплер се различава от спектъра на директния сигнал. Дали има такава възможност в условията на пълномащабен експеримент и каква е тя, може да отговори само експеримент, при който като метод за обработка се използва времево филтриране на сигналите.
Да преминем към обработката на сигнала. На антенен елемент с номер k в дискретен момент от времето комплексната амплитуда ще бъде Алгоритъмът за филтриране на полето включва изпълнението следващи стъпкисъс сложни амплитуди на полето, получени от отделни приемни елементи на антенната решетка:
където е цяло число, което е филтърен параметър.
Първо ще покажем действието на трансформация (2.3.4), използвайки чист математически модел (2.3.3), което ще ни позволи не само да покажем действието на трансформация (23.4), но и да получим сигнала за калибриране, необходим за оценка големината на наблюдаваните движещи се разсейватели.
На фиг. 2.11, a показва резултата от наблюдението на движещ се разпръсквател с помощта на антена без използване на времево филтриране. IN в такъв случайтова беше успешно, тъй като нямаше странични разпръсквачи или ехо. Обработката на сигнала е както следва. Дефинираната функция (2.3.3) е предмет на спектрален анализсамо по координатата x (по линията на местоположението на антената), като остава функция на времето. 2.11, а пространственият спектър на функцията е начертан хоризонтално по координатата.Връзката между стойностите на пространствената честота, която е аргументът на графиката, и ъгъла, под който зоната на наблюдение се сканира от антенната решетка е както следва:
където е максималната стойност на пространствената честота, равна на половината от общия брой точки на спектралното разлагане на Фурие; - разстоянието между приемните елементи на антенната решетка. По време на моделирането беше прието, че интервалът от пространствени честоти, показан на графиките, се простира в рамките на
Ориз. 2.11. Движение на разпръсквач в равнината на „време и пространствена честота“, използвайки тъмно поле
На фиг. 2.11, и под формата на вертикална линия в центъра (с видим емитер. Симулираният дифузор се показва като наклонена линия, тъй като съгласно (2.3.3) посоката към дифузора се променя приблизително пропорционално на времето.
На фиг. Показан е резултатът от абсолютно същата обработка на сигнала с помощта на филтър с параметър, но не за сигнала, а за сигнала, който е претърпял допълнителна обработка по формула (2.3.4). В резултат на това излъчващият сигнал не се вижда (полето е затъмнено); сигналът на разсейвателя се наблюдава под същите ъгли, както на фигура а, с интензитет, зависещ от големината на неговото доплерово изместване на честотата в съответното време и честотната характеристика на филтъра.
Предлаганият от нас алгоритъм за обработка на сигнала съдържа нелинейна операция - логаритъм. Това е почит към кепстралния анализ. Логаритъм
единствената математическа трансформация, която ви позволява да намалите мултипликативния шум до адитивен и да го филтрирате в тази форма. Тук това обстоятелство не е от особено значение, тъй като в (2.3.4) логаритъма е много добре линеаризиран.
На фиг. Фигура 2.12 показва математическата програма, която води до Фиг. 2.11. Горният ред на програмата представлява променливите за масив от данни и диапазон. Променливата k е пространствена. Една единица е половин дължина на вълната. Променливата е времето. Едно е равно на една секунда. Следва програма, която симулира движението на точков дифузьор. Разстоянието е посочено в метри. Дължината на вълната също е в метри. За разликата в пътя на лъча е дефинирана специална функция, в която на параметъра и може да се даде произволна стойност в зависимост от пространството и времето. Всъщност тя изразява Питагоровата теорема, в която единият катет е и, а другият катет е Скоростта е скоростта (в метри в секунда) на движението на дифузора по неговата траектория. Следващият ред на програмата определя промяната в пространството (по антената) и времето в разликата в пътя на лъчите, преки и разсеяни. Времевият интервал се определя в референтните времеви точки.
Следва изразът за комплексната амплитуда на вълновото поле, получено от всеки елемент на антенната решетка във времето. (Това е формула (2.3.3)). След това програмата се разклонява на две части: тази отляво води до фиг. 2.11, а, този вдясно води до фиг. 2.11, б. И двата клона на програмата са почти еднакви, с изключение на малки, но много съществени разлики. Общото между тези програми е, че последната им част е представянето на резултата под формата на триизмерна функция в променливите ъгъл - време - амплитуда на сигнала. Разликите са в алгоритмите за филтриране. Отляво филтрирането е само пространствено. Такъв филтър дава възможност да се изолира сигналът на разсейвателя само при липса на колебания в директния сигнал. Вляво е филтър, изграден по формула (2.3.4), който включва не само пространствено, но и времево филтриране.
Описаният експеримент беше насочен към изясняване на възможностите за наблюдение на природните фактори, под въздействието на които се разсейва акустичното поле. Първо, ще опишем тази част от експеримента, в която никакви обекти не се движеха в зрителното поле на антената и работеха само излъчвателят и приемната антена. Следователно, за да се определи целевата сила на разпръснатите сигнали, към сигнала, прочетен от антената по време на обработката му, беше добавен сигнал, симулирайки полето на точков разпръсквач, движещ се през пътя на разпространение на акустичния сигнал. Сигналът на движещ се разпръсквач беше симулиран чрез добавянето му към сигнала, получен от антената (пренебрегваме разсеяното поле, тъй като то е малко в сравнение с директното поле на излъчвателя и приемаме, че добавяме само директното поле) със следните промени, направени в него. Сигналът беше отслабен с известен брой децибели (например 40 dB) и умножен по функция от вида (2.3.3) без постоянен компонент. По този начин в сигнала се въвежда доплерово изместване на честотата, пропорционално на пространствената честота (ъглово изместване), което е доминирано от директното поле на излъчвателя. Благодарение на тази операция директното поле на излъчвателя в добавения атенюиран сигнал, след като е получило доплерови и ъглови измествания, играе ролята на движещ се разсейвач. Нивото му спрямо емитера е известно. Методът за моделиране на движещ се разпръсквател, който използвахме, ни позволява да получим неговия математически модел, който има известни параметри и същото ниво на флуктуации на нивото и фазата като директното поле на излъчвателя при условията на експеримента.
(щракнете, за да видите сканиране)
Нека уточним целта на експеримента, като нарисуваме Фиг. 2.13. Той показва времевия спектър на акустичните сигнали, получени от отделните антенни хидрофони. Тези спектри изглеждат много подобни на спектрите, дадени в монографията. Спектърът показва максимум при нулева честота. Полето на излъчвателя беше изместено към тази честота. Честотите над честотата на излъчвателя на графиката са положителни, а отрицателните честоти са тези, които се намират под честотата на излъчвателя. Спектърът също показва максимуми при честоти около ± 2 Hz. Такива максимуми в спектъра на акустичните сигнали, разпространяващи се в морето, се обясняват с разсейването на вълните по време на повърхностните вълни, модулирайки сигнала и по този начин измествайки неговия спектър. В книгата се разглежда метод за диагностика на състоянието на морската повърхност въз основа на такива спектри. Конкретната цел на настоящия експеримент беше да се опитаме, използвайки антена, да видим тези повърхностни вълни, които модулират сигнала на излъчвателя.
Ориз. 2.13. Времевият спектър на сигнала в елементите на антенната решетка, осреднен по всички елементи.
На фиг. Фигура 2.14 показва резултатите от обработката на сигнала, получен от антенната решетка. За да се гарантира, че има по-малко черно в снимките, се показват негативи, в които черното поле съответства на максималния сигнал, а бялото поле на минималния. Обработката се състоеше в получаване на пространствени спектри по линията на местоположението на приемните хидрофони на антената. Сигналите, показани на фиг. 2.14 (a-d), бяха обработени допълнително. Полето на антената беше затъмнено по формулата (2 3 4) и сигналите бяха допълнително филтрирани във времето.
На фиг. 2.14, а сигналът, получен от антената, беше обработен през цялата времева честотна лента, показана на фиг. 2.13. На фиг. 2.14, b показва резултата от обработката на филтрирания сигнал с изключване на двете странични честоти, отделени от носещата честота с абсолютна стойностс повече от 1 Hz, като по този начин значително потиска сигналите, причинени от разсейване от вятърни вълни. По този начин, сравнявайки фигури a и b, може да се види приносът на разсейването от повърхността на резервоара към общия разпръснат сигнал. Например, на фигура a излъчвателят се вижда под формата на интензивна линия, а на фигура b е едва забележим, т.е. антената вижда отражението на излъчвателя върху повърхността на резервоара по същия начин, както ние използваме за да видите „лунен“ или „слънчев“ път върху разстроена водна повърхност. На фиг. 2.14, и можете да видите ъгловото разпределение на нивото на сигнала, разпръснат от повърхността. Надеждно се наблюдават вълни, разпръснати от развълнуваната повърхност на резервоар. Може да се види, че при наблюдение със засенчено поле, разсейването от повърхността представлява забележима част от разпръснатия сигнал. Това може ясно да се види от разликата в изпъкналостта на наклонената линия в резултат на добавянето на сигнал, симулиращ разпръсквач. На
На фигури a и b видимостта на симулирания сигнал се различава значително, въпреки че нивото му на тези две фигури е еднакво.
Ориз. 2.14. (виж сканиране) Сигнал в зависимост от ъгъла на сканиране и времето в честотната лента от -3 до +3 Hz (a), в честотната лента от -0,8 до +0,8 Hz (b), от -0,8 до +3 Hz (c), от -3 до +0,8 Hz (d) и без тъмно поле (e).
На фиг. 2.14, c и 2.14, d показват резултатите, получени чрез изключване само на една от страничните честоти - долна (c) или горна (d). Тези фигури показват вълни, разпръснати от повърхността или само с увеличаване на честотата на Доплер, или само с нейното намаляване. В този експеримент за първи път е извършен анализ на пространственото разпределение на разсейването на акустичен сигнал върху ветрови вълни, като се вземе предвид знакът на ефекта на Доплер.
На фиг. Фигура 2.14, d показва резултата от обработката на същия сигнал, обработен без използване на формула (2.3.4), което създава тъмно поле. В сигнала, показан на фиг. 2.14, d, също беше симулиран дифузьор, който има 10 dB повече по отношение на излъчвателя високо ниво. Все още обаче не се вижда. За да направите симулирания сигнал забележим, трябва да увеличите нивото му с още 10 dB. Филтрирането на доплеровите компоненти също не влияе на външния вид на фигура d, т.е. на фона на реверберация не е възможно да се локализират източници на разсейване на сигнала върху вятърни вълни, без да се затъмнява полето на антената.
Фигури 2.14 са с качествен характер, на тях ясно се виждат промените във времето на сигналите. От такива ярки снимки е трудно да се прецени количествената страна на показаните резултати. Количествената страна на явлението е показана на фиг. 2.15, който показва стойностите на модула на реакция на антената, показан на фиг. 2.14, отнасящи се до един момент във времето. Както се вижда от фиг. 2.15, методът на тъмното поле без допълнително филтриране позволява постигане на ефективност от около 60 dB, а последващото филтриране по време дава допълнително около 10 dB. Това е доста значимо!
Ориз. 2.15. Акустично тъмно поле (полеви експеримент на езерото Санкхар).
На фиг. Фигура 2.15 показва реакцията на антената към сигнал, симулиращ разсейвател - това е максималната реакция на дебелата линия (времеви отрязък от фиг. 2.14, b) под ъгъл от порядъка на -40 градуса. Нивото му е приблизително -57 dB спрямо сигнала на емитера, докато беше зададено на -40 dB спрямо това ниво. Разлика
Това се обяснява с факта, че симулираният сигнал се измества твърде бавно, в резултат на което неговото доплерово изместване, дори при максимален ъгъл, е значително отслабено от филтъра, който затъмнява зрителното поле на антената. Според времевия разрез на фиг. 2.14, d, показано на фиг. 2.15 е ясно, че реверберацията в езерото има по-значителен ефект върху формата на реакцията на антената, отколкото при подобни експерименти в морето. Това се обяснява с факта, че морето има по-плоско дъно и изобщо няма отражения от бреговете, които ясно се виждат на фиг. 2.15 при ъгли близки до 90 градуса.
Ефективността на филтрирането може също да бъде показана с помощта на времевите спектри на сигналите от антената, показана на фиг. 2.16. На фиг. 2.16, и е показан времевият спектър на сигнала на една пространствена честота без филтриране. Пространствената честота (ъгълът на наблюдение) е избрана така, че да съдържа симулирания сигнал при неговата максимална доплерова честота. Нивото му е с 20 dB под нивото на излъчващия сигнал. На фигурата нивото на този сигнал е 30 dB под нивото на емитера, въпреки че сигналът на емитера при тази пространствена честота (тази ъглова стойност) е далеч от максимума. Тази разлика в нивата се дължи на факта, че симулираният сигнал присъства на тази пространствена честота само в няколко реализации, а излъчващият сигнал се натрупва кохерентно във всички 2048 временни реализации, увеличавайки се с 66 dB.
На фиг. Фигура 2.16b показва спектъра при същата пространствена честота, но използвайки филтриране. Тук излъчващият сигнал е затъмнен, така че 66 dB не му помагат. Сравнението на фигури a и b ни позволява да преценим ефективността на използването на предложения метод за филтриране в естествени условия.
Ориз. 2.16. Времеви спектър на сигнала в елементите на антенната решетка на една пространствена честота (а) и в тъмното поле (б).
Експерименталните резултати показват, че с помощта на предложения метод на акустично тъмно поле е възможно да се наблюдава структурата на водната повърхност и нейните промени. Можете да локализирате области с интензивни повърхностни вълни, да откриете скоростта на вълните, посоката на вятъра и други параметри или можете да премахнете доплеровите честоти, свързани с повърхностните вълни, като по този начин ги филтрирате. В този случай става възможно да се наблюдават вътрешни движещи се неравности и течения и да се видят по начина, по който използваната антенна система позволява. Става възможно да се проведе експеримент в съответствие с изчисленията на разсейването от грапавата повърхност на океана, извършени например в работата. Във връзка с предложената техника на измерване, изчисленията не само на обратното разсейване от интересни обекти, но и на разсейването напред, което може да бъде значително по-голямо, могат да станат уместни.
Никой в света не разбира квантовата механика - това е основното, което трябва да знаете за нея. Да, много физици са се научили да използват неговите закони и дори да предсказват явления с помощта на квантови изчисления. Но все още не е ясно защо присъствието на наблюдател определя съдбата на системата и я принуждава да направи избор в полза на една държава. „Теории и практики“ подбраха примери за експерименти, чийто резултат неизбежно се влияе от наблюдателя, и се опитаха да разберат какво ще направи квантовата механика с такава намеса на съзнанието в материалната реалност.
Котката на Шрьодингер
Днес има много интерпретации квантова механика, най-популярен сред които си остава Копенхаген. Основните му принципи са формулирани през 20-те години на миналия век от Нилс Бор и Вернер Хайзенберг. И централният термин на интерпретацията от Копенхаген беше вълновата функция - математическа функция, който съдържа информация за всички възможни състояния на квантовата система, в която се намира едновременно.
Според тълкуването от Копенхаген само наблюдението може надеждно да определи състоянието на дадена система и да я разграничи от останалите (вълновата функция помага само да се изчисли математически вероятността за откриване на система в определено състояние). Можем да кажем, че след наблюдение квантовата система става класическа: тя моментално престава да съществува едновременно в много състояния в полза на едно от тях.
Този подход винаги е имал своите противници (спомнете си например „Бог не играе на зарове“ от Алберт Айнщайн), но точността на изчисленията и прогнозите взе своето. Въпреки това, в напоследъкИма все по-малко привърженици на копенхагенската интерпретация и не на последно място причина за това е много мистериозният мигновен колапс на вълновата функция по време на измерване. Известният мисловен експеримент на Ервин Шрьодингер с бедната котка имаше за цел да покаже абсурдността на този феномен.
И така, нека си припомним съдържанието на експеримента. В черна кутия се поставят жива котка, ампула с отрова и определен механизъм, който произволно може да задейства отровата. Например един радиоактивен атом, чието разпадане ще счупи ампулата. Точно времеатомният разпад е неизвестен. Известен е само полуживотът: времето, през което ще настъпи разпад с 50% вероятност.
Оказва се, че за външен наблюдател котката в кутията съществува едновременно в две състояния: или е жива, ако всичко върви добре, или мъртва, ако е настъпило гниене и ампулата се е счупила. И двете състояния се описват от вълновата функция на котката, която се променя с времето: колкото по-нататък, толкова по-вероятноче радиоактивният разпад вече е настъпил. Но веднага щом кутията бъде отворена, вълновата функция се срива и веднага виждаме резултата от експеримента на кнакера.
Оказва се, че докато наблюдателят не отвори кутията, котката вечно ще балансира на границата между живота и смъртта и само действието на наблюдателя ще определи нейната съдба. Това е абсурдът, който посочи Шрьодингер.
Електронна дифракция
Според проучване на водещи физици, проведено от The New York Times, експериментът с електронна дифракция, извършен през 1961 г. от Клаус Дженсън, се превърна в един от най-красивите в историята на науката. Каква е неговата същност?
Има източник, излъчващ поток от електрони към екран на фотографска плака. И има препятствие по пътя на тези електрони - медна пластина с два процепа. Каква картина можете да очаквате на екрана, ако мислите за електроните като за малки заредени топчета? Две светещи ленти срещу прорезите.
В действителност на екрана се появява много по-сложен модел от редуващи се черни и бели ивици. Факт е, че когато преминават през прорезите, електроните започват да се държат не като частици, а като вълни (точно както фотоните, частиците светлина, могат едновременно да бъдат вълни). След това тези вълни си взаимодействат в пространството, отслабвайки и засилвайки се взаимно на места, и в резултат на това на екрана се появява сложна картина от редуващи се светли и тъмни ивици.
В този случай резултатът от експеримента не се променя и ако електроните се изпращат през процепа не в непрекъснат поток, а поотделно, дори една частица може едновременно да бъде вълна. Дори един електрон може едновременно да премине през два процепа (и това е друга важна позиция на Копенхагенската интерпретация на квантовата механика - обектите могат едновременно да проявяват своите „обичайни“ материални свойства и екзотични вълнови свойства).
Но какво общо има наблюдателят с това? Въпреки факта, че и без това сложната му история стана още по-сложна. Когато в подобни експерименти физиците се опитаха да открият с помощта на инструменти през коя цепка действително преминава електронът, картината на екрана се промени драстично и стана „класическа“: две осветени зони срещу процепите и никакви редуващи се ивици.
Сякаш електроните не искаха да покажат своята вълнова природа под зоркия поглед на наблюдателя. Ние се приспособихме към инстинктивното му желание да види проста и разбираема картина. Мистик? Има много по-просто обяснение: не може да се извърши наблюдение на системата без физическо въздействие върху нея. Но ще се върнем към това малко по-късно.
Нагрят фулерен
Експерименти за дифракция на частици са проведени не само върху електрони, но и върху много по-големи обекти. Например фулерените са големи, затворени молекули, съставени от десетки въглеродни атоми (например фулерен от шестдесет въглеродни атома е много подобен по форма на футболна топка: куха сфера, зашита заедно от петоъгълници и шестоъгълници).
Наскоро група от Виенския университет, ръководена от професор Цайлингер, се опита да въведе елемент на наблюдение в подобни експерименти. За да направят това, те облъчват движещи се фулеренови молекули лазерен лъч. След това се нагрява външно влияние, молекулите започнаха да светят и по този начин неизбежно разкриха мястото си в пространството на наблюдателя.
Заедно с тази иновация поведението на молекулите също се промени. Преди началото на тоталното наблюдение, фулерените доста успешно заобикаляха препятствията (показваха вълнови свойства) като електрони от предишния пример, преминаващи през непрозрачен екран. Но по-късно, с появата на наблюдател, фулерените се успокоиха и започнаха да се държат като напълно спазващи закона частици материя.
Размер на охлаждане
Един от най-известните закони на квантовия свят е принципът на неопределеността на Хайзенберг: невъзможно е едновременно да се определят позицията и скоростта на квантов обект. Колкото по-точно измерваме импулса на една частица, толкова по-малко точно може да се измери нейната позиция. Но ефектите от квантовите закони, действащи на нивото на малки частици, обикновено са незабележими в нашия свят на големи макро обекти.
Затова толкова по-ценни са последните експерименти на групата на професор Шваб от САЩ, в които квантови ефектидемонстрирани не на нивото на същите електрони или фулеренови молекули (характерният им диаметър е около 1 nm), а върху малко по-осезаем обект - миниатюрна алуминиева лента.
Тази лента беше закрепена от двете страни, така че средата й да е окачена и да може да вибрира под външно въздействие. Освен това до лентата имаше устройство, което можеше да записва нейната позиция с висока точност.
В резултат на това експериментаторите открили два интересни ефекта. Първо, всяко измерване на позицията на обекта или наблюдение на лентата не преминава, без да остави следа за нея - след всяко измерване позицията на лентата се променя. Грубо казано, експериментаторите определят координатите на лентата с голяма точност и по този начин, според принципа на Хайзенберг, променят нейната скорост и следователно нейната последваща позиция.
Второ, и съвсем неочаквано, някои измервания също доведоха до охлаждане на лентата. Оказва се, че наблюдателят може да промени физически характеристикиобекти. Звучи напълно невероятно, но за чест на физиците, нека кажем, че те не бяха на загуба - сега групата на професор Шваб мисли как да приложи открития ефект за охлаждане на електронни чипове.
Замръзващи частици
Както знаете, нестабилните радиоактивни частици се разпадат в света не само заради експерименти върху котки, но и напълно сами. Освен това всяка частица се характеризира със среден живот, който, оказва се, може да се увеличи под зоркия поглед на наблюдателя.
Този квантов ефект е предсказан за първи път през 60-те години на миналия век и неговото блестящо експериментално потвърждение се появява в статия, публикувана през 2006 г. от групата Нобелов лауреатпо физика от Волфганг Кетерле от Масачузетския технологичен институт.
В тази работа изследвахме разпадането на нестабилни възбудени рубидиеви атоми (разпадане на рубидиеви атоми в основно състояние и фотони). Веднага след подготовката на системата и възбуждането на атомите те започват да се наблюдават – осветяват се с лазерен лъч. В този случай наблюдението се извършва в два режима: непрекъснат (малки светлинни импулси постоянно се подават към системата) и импулсен (системата се облъчва от време на време с по-мощни импулси).
Получените резултати са в отлично съответствие с теоретичните прогнози. Външните светлинни влияния всъщност забавят разпадането на частиците, сякаш ги връщат в първоначалното им състояние, далеч от разпадане. Освен това, големината на ефекта за двата изследвани режима също съвпада с прогнозите. И максималният живот на нестабилните възбудени рубидиеви атоми беше удължен с 30 пъти.
Квантова механика и съзнание
Електроните и фулерените престават да проявяват вълновите си свойства, алуминиевите плочи се охлаждат, а нестабилните частици замръзват при разпадането си: под всемогъщия поглед на наблюдателя светът се променя. Какво не е доказателство за участието на нашия ум в работата на света около нас? Така че може би Карл Юнг и Волфганг Паули (австрийски физик, лауреат) са били прави Нобелова награда, един от пионерите на квантовата механика), когато казаха, че законите на физиката и съзнанието трябва да се разглеждат като допълващи се?
Но това е само една крачка от рутинното признание: целият свят около нас е същността на нашия ум. Зловещо? („Наистина ли мислите, че Луната съществува само когато я гледате?“ Айнщайн коментира принципите на квантовата механика). Тогава нека се опитаме отново да се обърнем към физиците. Освен това, в последните годините все по-малко харесват копенхагенската интерпретация на квантовата механика с нейния мистериозен колапс на функционална вълна, който се заменя с друг, съвсем приземен и надежден термин - декохерентност.
Въпросът е следният: във всички описани наблюдателни експерименти, експериментаторите неизбежно са повлияли на системата. Осветиха го с лазер и монтираха измервателни уреди. И това е често срещано, много важен принцип: Не можете да наблюдавате система, да измервате нейните свойства, без да взаимодействате с нея. И където има взаимодействие, има промяна в свойствата. Освен това, когато колосът от квантови обекти взаимодейства с малка квантова система. Така че вечният, будистки неутралитет на наблюдателя е невъзможен.
Именно това обяснява термина "декохерентност" - необратим процес на нарушаване на квантовите свойства на една система по време на нейното взаимодействие с друга, по-голяма система. По време на такова взаимодействие квантовата система губи първоначалните си характеристики и става класическа, „подчинявайки се“ на голямата система. Това обяснява парадокса с котката на Шрьодингер: котката е толкова голяма система, че просто не може да бъде изолирана от света. Самият мисловен експеримент не е съвсем правилен.
Във всеки случай, в сравнение с реалността като акт на създаване на съзнанието, декохерентността звучи много по-спокойно. Може би дори прекалено спокоен. В края на краищата, с този подход целият класически свят става едно цяло страхотен ефектдекохерентност. И според авторите на една от най-сериозните книги в тази област твърдения като „няма частици в света“ или „няма време на фундаментално ниво“ също логично следват от подобни подходи.
Творчески наблюдател или всемогъща декохерентност? Трябва да избирате между две злини. Но не забравяйте - сега учените са все по-убедени, че в основата на нашите мисловни процесилъжат същите тези прословути квантови ефекти. Така че къде свършва наблюдението и започва реалността - всеки от нас трябва да избере.
Задача 23.1.3.Веднъж магнитът се изтегля през пръстена с южния полюс към пръстена, втори път - със северния полюс.
В кой от тези случаи ще възникне ток в пръстена и ако и в двата, посоката на тока ще бъде една и съща?
Задача 23.1.4. Метален пръстен се прекарва до постоянен магнит (виж фигурата). Ще се появи ли индуциран ток в пръстена в този случай?
Задача 23.1.5. Две рамки се въртят в еднородно магнитно поле. В какъв случай ще се появи индуциран ток в рамката?
Задача 23.1.6. До прав проводник, през който тече електричество, има квадратна проводяща рамка. В даден момент рамката започва да се движи. В каква посока се движи рамката (виж фигурата) ще възникне електрически ток в нея?
Задача 23.1.7.Постоянният магнит се изтегля през метален пръстен по следния начин: в рамките на две секунди магнитът се донася от голямо разстояние и се вкарва в пръстена, през следващите две секунди магнитът остава неподвижен вътре в пръстена, през следващите две секунди той се сваля от ринга и се отнася на голямо разстояние. На какви интервали от време тече ток в пръстена?
Задача 23.1.9.При експерименти за наблюдение на електромагнитна индукция квадратна рамка, направена от тънка жица с една страна, е в еднородно магнитно поле, перпендикулярно на равнината на рамката. Индукцията на полето се увеличава равномерно от стойност на стойност. Експериментът се повтаря, като се удвоява страната на рамката. Как ще се промени индуцираната ЕДС в рамката?
в) четене на учебник вкъщи -4%;
г) учител разказва нов материал -17%;
д) самостоятелно извършване на експерименти - 36%;
д) отговорът на дъската е 3%.
Какви домашни предпочитате да правите?
а) четене на учебник -22%;
б) решаване на задачи от учебника -20%;
в) наблюдение на физични явления -40%;
г) съставяне на задачи -75;
д) производство на прости устройства, модели -8%;
д) решаване на трудни задачи -3%.
Кой урок ви интересува?
а) на тестова работа -3%;
б) по лабораторни упражнения -60%;
в) в урок за решаване на задачи -8%;
г) в урок за изучаване на нов материал -29%;
д) не знам -7%.
Анализът на отговорите показа, че интересът на учениците към експеримента е ясно записан. И това не е изненадващо, тъй като характеристика на физиката е нейният експериментален характер. Ето защо, наред с обичайната домашна работа - изучаване на текста на учебника, усвояване на правила, закони, решаване на задачи и упражнения - е необходимо учениците да изпълняват задачи от практически характер: наблюдение на явления в природата, извършване на качествени експерименти, измервания.
В учебниците „Физика-7“, „Физика-8“ (автори А. В. Перишкин, Н. А. Родина), след изучаване на отделни теми, на учениците се предлагат експериментални задачи за наблюдения, които могат да се извършват у дома, обясняват резултатите от тях и съставят кратък доклад на работата...
Учениците систематично извършват експериментални лабораторна работанасърчава по-съзнателното и конкретно възприемане на материала, изучаван в клас, повишава интереса към физиката, развива любопитството и внушава ценни практически умения. Тези задачи са ефективни средстваповишаване на самостоятелността и инициативността на учениците, което се отразява благоприятно на цялата им учебна дейност”
От статията на И. В. Литовко става ясно, че много студенти, когато изучават физика, обичат да наблюдават експерименти и много от тях не са против да направят някакъв експеримент у дома като домашна работа. Какви други предимства имат домашните експерименти пред експериментите и лабораторните упражнения, извършвани в класната стая? Както вече споменахме, това е по-малко строго времево ограничение. Освен това децата у дома се чувстват по-комфортно, отколкото в лабораторните часове в училище, където много деца могат да бъдат стресирани, което може да повлияе негативно на производителността на труда. Когато изпълняват задача у дома, учениците изпълняват задачата напълно самостоятелно и се занимават с творчески дейности, което има благоприятен ефект върху тяхното развитие. Доста се каза за това, че е полезно учителите да използват домашни експерименти в процеса на обучение на ученици. Сега нека видим какви са тези преживявания и как един учител може да работи с тях.
Изисквания за домашни опити.На първо място, това, разбира се, е безопасността. Тъй като експериментът се провежда от ученика у дома самостоятелно, без прякото наблюдение на учителя, експериментът не трябва да съдържа химикали или предмети, които представляват заплаха за здравето на детето и неговата домашна среда. Експериментът не трябва да изисква значителни материални разходи от ученика; при провеждането на експеримента трябва да се използват предмети и вещества, които се намират в почти всеки дом: съдове, буркани, бутилки, вода, сол и др. Експериментът, извършван у дома от ученици, трябва да бъде прост като изпълнение и оборудване, но в същото време да бъде ценен за изучаването и разбирането на физиката в детство, бъдете интересни по съдържание. Тъй като учителят няма възможност да контролира пряко експеримента, извършен от учениците у дома, резултатите от експеримента трябва да бъдат съответно формализирани (приблизително както се прави при извършване на предна лабораторна работа). Резултатите от експеримента, проведен от учениците у дома, трябва да бъдат обсъдени и анализирани в клас. Работата на учениците не трябва да бъде сляпо подражание на установени модели, те трябва да съдържат най-широко проявление на собствената им инициатива, творчество и търсене на нещо ново. Въз основа на горното, нека формулираме накратко изискванията за домакинството експериментални задачи изисквания :
Безопасност по време на провеждане;
Минимални разходи за материали;
Лекота на изпълнение;
Имат стойност при изучаването и разбирането на физиката;
Лесен последващ контрол от учителя;
Наличието на творческо оцветяване.
Експериментите, предлагани от учителя на учениците за самостоятелно провеждане у дома, трябва да отговарят на тези изисквания. След това ще разгледаме как учителят може да използва домашни експерименти и наблюдения в процеса на преподаване на физика на ученици.
Методи на учителя за работа с експериментални домашни задачи.Тъй като едно от изискванията за домашни експерименти е простотата на изпълнение, следователно е препоръчително да ги използвате в началния етап на преподаване на физика, когато естественото любопитство на децата все още не е изчезнало. Освен това е малко вероятно да се измислят експерименти за вкъщипо теми като например: повечето от темите „Електродинамика“ (с изключение на електростатика и прости електрически вериги), „Атомна физика“, „Квантова физика“.
Домашният опит може да бъде възложен след завършване на темата в клас. Тогава учениците ще видят с очите си и ще се убедят в валидността на теоретично изучавания закон или явление. В същото време знанията, получени теоретично и проверени на практика, ще бъдат доста здраво вградени в тяхното съзнание.
Или обратното, можете да зададете домашна задача и след като я изпълните, да обясните явлението. По този начин можете да създадете проблемна ситуация за учениците и да продължите проблемно базирано обучение, което неволно поражда познавателен интерес на учениците към изучавания материал, осигурява познавателна активност на учениците по време на обучението и води до развитие на творческото мислене на учениците. В този случай, дори ако учениците не могат да обяснят сами феномена, който са преживели у дома, те ще слушат с интерес разказа на учителя.
Лятна работа и наблюдения.Практически задачи по физика могат да се дават на учениците и през летния период, за да се използва богатата лаборатория - природа и различни технически предмети, които не са под ръка по време на часовете в училище. Учителят, който дава лятна задача, не трябва да пренебрегва нейната простота и неусложненост. Задачите, които се дават на учениците през ваканцията, трябва да са кратки и прости.
Ако ученик, живеещ в селска къща или село, отивайки до селския кладенец за вода, обръща внимание (според инструкциите на учителя) на конструкцията на портата или на конструкцията на крана на кладенеца, а също така сравнява диаметъра на вал с диаметъра на колелото или „дължината на рамената“ на крана, тогава завършването вече е. Тази проста задача ще бъде от полза. Този ученик, когато работи или повтаря темата „Прости механизми“, ще възприеме (или възпроизведе) материала много по-съзнателно от ученик, който никога не е виждал или обръщал внимание на такива механизми.
Особено разнообразни задачи могат да бъдат предложени на тези ученици, които ще плуват и карат лодка. Без да усетят атмосферата на урока, тези ученици ще си спомнят с особен интерес задачите на учителя и с голямо желание ще наблюдават различни явления и ще извършват прости експерименти. Те ще погледнат по нов начин на огледалната повърхност на езеро или езеро, в което се отразяват отсрещния бряг и облаци, виждайки в тези явления действието на законите на отражението и пречупването. И колко прости и разнообразни са опитите за образуване и разпространение на вълни от камък, хвърлен във водата! Колко пъти един ученик може да повтори тези експерименти, докато е на моста на езерото? Можете също така да поканите учениците да наблюдават плаването на телата, „загубата на тегло“ според закона на Архимед, намаляването на температурата на собственото им тяло, когато оставят водата навън на вятъра (топлина на изпарение и интензивност на изпарение) . Когато плават с лодка, учениците трябва да обърнат внимание на проявата на инерция, когато бързо плаваща лодка се блъска в брега от ускорение и на проявата на третия закон на Нютон, когато скача от лодка на брега или просто във водата. Или друг пример. Тук учениците пресичат реката с лодка. Изглежда като малък факт. Но и тук можете да насочите вниманието им към добавянето на движения и да посочите правилото на успоредника.
Задачата на учителя при организирането на лятна работа и наблюдения е главно да предложи идея, да насочи и да подскаже. Всичко останало ще бъде добавено от собствената визия на учениците и тяхното неизчерпаемо любопитство.
Ако учителят е възложил на учениците да извършат експеримент или наблюдение у дома, тогава изобщо не е необходимо всички ученици (както при всяка домашна работа) да изпълнят тази задача. При всяка домашна работа има ученици, които са завършили домашното си и които не успяват да го завършат по някаква причина. Все пак трябва да се очаква, че ще има повече ученици, които искат да проведат експеримента вкъщи сами, отколкото тези, които искат да четат учебника. Как да наказвате за недовършена домашна работа и колко силно да изисквате завършване на опита зависи от отделния учител. Обсъждането на механизма за точкуване е извън обхвата на тази работа, така че няма да се спираме тук. Ясно е, че провеждането на експеримента у дома трябва да бъде насърчавано от учителя. Това може да е изложба добри оценки, давайки за пример завършилите на незавършилите, тук отново всичко зависи от конкретния учител, от характера му на работа с всеки отделен клас.
Проверка на напредъка на работата.Когато вършите работа, ще бъде много добре, ако учениците записват своите наблюдения под формата на писмен доклад за извършената работа (накратко: какво са направили, какво са видели, правят опит да обяснят какво са видели). Това ще даде възможност на учителя да провери изпълнението и по-точно да оцени всеки ученик. При проверка на възложен вкъщи опит, учителят трябва да го обсъди в клас с всички ученици. теоретична основанаблюдавано явление. Първо, учителят трябва да изслуша учениците, докато обясняват какво са видели. След това трябва да отбележите правилните мисли на учениците, които дават правилното (или почти правилното) обяснение. В заключение учителят трябва накратко да напомни на учениците за опита и ясно да им каже обяснението на феномена, възникващ по време на експеримента, да отбележи погрешните схващания на учениците (ако има такива в техните отговори), да посочи къде другаде на практика може да се срещат прояви на подобно явление. След като учениците самостоятелно проведоха експеримента и обсъдиха видяното с научна точкавизия с участието на учителя, учениците трябва да имат доста пълна представа за изучаваното явление. Тази идея (и учителят трябва да положи всички усилия, за да гарантира, че е правилно оформена) ще остане в паметта на учениците за дълго време. Приблизително така трябва да изглежда, според автора, проверката на изпълнението на даден експеримент, зададен за дома. Такава проверка няма да отнеме повече време от урока, отколкото проверката на всяка друга домашна работа, и в същото време ще бъде от голяма полза за формирането на правилни представи за света около учениците.
За тази задача можете да получите 2 точки на Единния държавен изпит през 2020 г
Задача 21 от Единния държавен изпит по физика е едновременно трудна и проста за учениците. Сложен е, защото темата му е една от най-трудните за усвояване: „Квантова физика“. И може да се нарече просто, защото този учебен материал се изучава в гимназията, следователно контролът на знанията се извършва практически „по петите“. Билетът включва и задачи по темите „Ядрена физика” и „Вълнова оптика”.
Разработчиците на тестове предлагат два вида задачи № 21 от Единния държавен изпит по физика - промяна на физическите величини в процесите и установяване на съответствие. В първия случай ученикът ще бъде помолен да определи как ще се държи това или онова количество - ще намалее, ще се увеличи или няма да се промени. Отговорът е определен буквено-цифров код, въведен от ученика в таблица. Ако въпросът изисква установяване на съответствие между физическите явления и инструментите, в които тези явления се използват или наблюдават, между физическите понятия и техните дефиниции, между физическите величини и формулите, по които те могат да бъдат изчислени, ученикът изготвя и мини- таблица с отговори.