Номер 5, страница 49 - гдз по физике 11 класс учебник Мякишев, Буховцев

Обсудите с одноклассниками, можно ли считать явления инерции в механике и в электродинамике (в электрической цепи) явлениями одной физической природы.

Вопрос о том, можно ли считать явления инерции в механике и в электродинамике явлениями одной физической природы, является очень интересным и позволяет глубже понять аналогии в физике. Несмотря на существующую между ними глубокую формальную аналогию, их физическая природа различна.

В механике инерция — это свойство тел сопротивляться изменению их состояния движения. Мерой инертности тела является его масса $m$. Чтобы изменить скорость тела, то есть сообщить ему ускорение $a$, необходимо приложить силу $F$. Второй закон Ньютона связывает эти величины: $F = ma = m \frac{dv}{dt}$. Чем больше масса тела, тем большую силу нужно приложить для достижения того же ускорения, то есть тем тело «инертнее».

В электродинамике, в частности в электрической цепи, аналогичное явление называется самоиндукцией. Это явление заключается в возникновении электродвижущей силы (ЭДС) индукции в проводящем контуре при изменении силы протекающего через него тока. Эта ЭДС, согласно правилу Ленца, всегда препятствует изменению тока. Мерой «электрической инерции» цепи является её индуктивность $L$. ЭДС самоиндукции $\mathcal{E}_{si}$ определяется формулой: $\mathcal{E}_{si} = -L \frac{dI}{dt}$. Знак «минус» как раз и отражает противодействие изменению тока. Чем больше индуктивность, тем медленнее изменяется ток в цепи.

Таким образом, можно провести прямые аналогии между механическими и электрическими величинами: масса $m$ аналогична индуктивности $L$, скорость $v$ — силе тока $I$, а сила $F$ — ЭДС $\mathcal{E}$. Математическое описание обоих явлений демонстрирует их формальное сходство: в обоих случаях система противодействует изменению некоторой характеризующей её величины.

Однако, несмотря на эту аналогию, их фундаментальная физическая природа различна. Механическая инерция — это фундаментальное свойство материи, связанное с её массой. Это свойство, присущее телу как таковому, и в современной физике его происхождение связывают с взаимодействием с полем Хиггса. В свою очередь, самоиндукция — это чисто электромагнитное явление. Оно обусловлено тем, что изменение тока создаёт переменное магнитное поле, которое по закону электромагнитной индукции порождает вихревое электрическое поле и, как следствие, индукционную ЭДС. Это результат взаимосвязи электрических и магнитных полей, а не внутреннее свойство самих носителей заряда в том же смысле, что и масса.

Ответ: Явления инерции в механике и самоиндукции в электрической цепи являются аналогичными по своему математическому описанию и внешнему проявлению (противодействие изменению состояния), но они имеют разную физическую природу. Механическая инерция — это свойство, определяемое массой тела, тогда как «электрическая инерция» (самоиндукция) — это следствие законов электромагнетизма, связанное с возникновением магнитного поля при протекании тока.