Фундаментальные взаимодействия в природе. Фундаментальный характер законов сохранения

 
 

Исследование Вселенной всегда ставило перед учеными ряд вопросов, и прежде всего «Как устроена Вселенная, то есть какова ее структура?», «Как из небольших «кирпичиков» материи образуется все многообразие природных явлений и природных объектов?», «Одинаковым ли законам подчиняются разные природные явления?». Изучая физику, вы тоже старались найти ответы на эти вопросы. Попробуем обобщить.

отвечаем на вопрос: «какова структура вселенной?»

Всю доступную для наблюдения часть материального мира называют вселенной.

Все объекты Вселенной и присущие им явления наука разделяет на три качественно разных уровня: микромир, макромир, мегамир. Объекты каждого уровня Вселенной отличаются прежде всего массой и размерами:

Приведите примеры объектов микромира; макромира; мегамира. Каждый структурный уровень Вселенной описывается собственной физической теорией. Так, движение и взаимодействие объектов микромира в основном описывает квантовая механика. В макромире «властвует» классическая механика, в основу которой положены законы механики Ньютона. Мегамир — это прежде всего объект релятивистской механики, которая базируется на теории относительности А. Эйнштейна.

Узнаём, почему физические законы и теории имеют границы применимости

Рис. 39.1. Классическая механика Ньютона выполняется только для описания движения тел со скоростью, которая намного меньше скорости распространения света. Движение тел, скорость которых сравнима со скоростью света (например, движение отдаленных галактик), описывает специальная теория относительности

Рис. 39.2. Излучение электромагнитных волн переменным электрическим током можно объяснить с помощью классической электродинамики Максвелла, а вот для объяснения излучения атомом света (электромагнитных волн оптического диапазона) нужно использовать квантовую электродинамику, которая содержит классическую динамику как составляющую



 

Почему, например, законы механики Ньютона нельзя применять для описания движения микрочастиц? Это же законы! Но вспомним, как строится физическая теория.

Если мы изучаем некий физический процесс (наблюдаем за ним, проводим эксперименты и расчеты), то не стараемся охватить все явления, которые наблюдаются в ходе этого процесса. Мы не учитываем влияние всех факторов, а выбираем только те, которые, по нашему мнению, существенно влияют на процесс, то есть строим физическую модель процесса. Использование модели позволяет объяснить природу еще целого ряда физических явлений, сформулировать законы, которым они подчиняются. Совокупность физических законов образует физическую теорию.

Поскольку для создания теории мы используем физическую модель, а наши знания ограничены известными на данное время фактами, то не удивительно, что со временем накопятся новые факты, которые уже не будут укладываться в границы созданной нами теории. То есть наша теория имеет границы при-мененимости. Новые факты ведут к созданию новой теории, которая обычно содержит предыдущую теорию как составляющую, а не противоречит ей (рис. 39.1, 39.2).

фундаментальные взаимодействия

Вспомните курсы физики и химии. Благодаря какому взаимодействию удерживаются нуклоны в ядре? электроны в атоме? атомы в молекуле? молекулы в веществе? человек вблизи планеты? планета вблизи Солнца?

Надеемся, вы вспомнили три известных вам вида взаимодействия: сильное, электромагнитное, гравитационное. Именно взаимодействие обусловливает объединение «кирпичиков» материи в атомы, атомов — в молекулы, молекул — в вещество и т. д. Любые свойства тел, любые явления связаны со взаимодействием.

Сейчас в науке различают четыре фундаментальных взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное, слабое (см. таблицу).

Фундаментальные взаимодействия в природе

гравитационное

электромагнитное

сильное

слабое

Любые материальные объекты во Вселенной притягиваются друг к другу

Электрическое взаимодействие заряженных тел и частиц; магнитное притяжение и отталкивание намагниченных тел и движущихся заряженных частиц

Взаимное притяжение нуклонов внутри ядра независимо от их заряда

«Отвечает» за β-распад атомных ядер

Проявляется на любых расстояниях

Проявляется на любых расстояниях

Проявляется на расстояниях порядка 1015 м (размер нуклона)

Проявляется на расстояниях порядка 10-18 м

Образование и существование планет, звездных планетных систем, галактик и т. д.

Образование и существование атомов, молекул, физических тел; излучение радиосигналов, передача нервных импульсов и т. д.

Существование и стойкость атомных ядер

Медленные распады частиц

Свечение звезд

Ученые пытаются создать теорию единого универсального взаимодействия, и некоторые шаги уже сделаны. В конце 60-х гг. прошлого столетия удалось создать теорию так называемого электрослабого взаимодействия, в границах которой объединены электромагнитное и слабое взаимодействия. Но до полного («большого») объединения всех видов взаимодействий еще далеко.

Узнаём о фундаментальном характере законов сохранения

Пространство и время являются своеобразной ареной, на которой «разыгрываются» все явления и процессы во Вселенной. Поэтому неудивительно, что именно с фундаментальными свойствами пространства и времени связаны самые важные законы Вселенной — законы сохранения. Эти законы называют фундаментальными, ведь им подчиняются как объекты макромира, так и объекты микро- и мегамира, — эти законы выполняются при любом взаимодействии.

Длительное время ученые интуитивно догадывались, что каждый закон сохранения связан с определенной симметрией во Вселенной (рис. 39.3).

В 1918 г. выдающийся немецкий математик Амалия Эмми Нётер (18821935) доказала теорему, согласно которой каждой непрерывной симметрии физической системы соответствует определенный закон сохранения. Так, закон сохранения энергии является следствием однородности времени* — симметрии относительно сдвига во времени; закон сохранения импульса является следствием однородности пространства — симметрии относительно перенесения в пространстве.

Одно из следствий законов сохранения — предвидение невозможности некоторых процессов, ведь эти законы позволяют сделать обобщенные выводы даже без детальной информации. Например, мы знаем о невозможности создания вечного двигателя: сама идея его существования противоречит закону сохранения и превращения энергии.

Вы знаете три фундаментальных закона сохранения: закон сохранения и превращения энергии, закон сохранения импульса, закон сохранения электрического заряда.


Рассматриваем проявления закона сохранения и превращения энергии

Закон сохранения и превращения энергии постулирует, что энергия никуда не исчезает, ниоткуда не возникает, она только передается от одного тела к другому, преобразуется из одного вида в другой. Вспомним виды энерги и рассмотрим пребразования энергии на примерах.

   

Виды энергии в природе

   

Механи-

Внутренняя

 

Электромагнитная

ческая

тепловая

химиче

ская

ядерная

электри

ческая

магнит

ная

излуче

ние

Энергия

Энергия

Энергия

Энергия,

Энергия

Энергия

Энергия

движения

хаотичного

хими-

«скры-

электри-

постоян-

электро-

и взаимо-

движения

ческих

тая» в

ческого

ных маг-

магнит-

действия тел или частей тела

и взаимодействия частиц вещества

связей

ядрах

атомов

тока

нитов и электромагнитов

ных волн

Пример 1. На рис. 39.4 представлены две цепочки преобразования солнечной энергии. Проследим за «природной» цепочкой (рис. 39.4, а).

Ядерная энергия, которая высвобождается на Солнце при термоядерной реакции, преобразуется в энергию излучения. Попадая на зеленые листья растений, эта энергия поглощается хлорофиллом и преобразуется в химическую энергию питательных веществ.

Потребляя химическую энергию, сохраненную растениями (пищу), организм человека преобразует ее в химическую энергию клеток.

Химическая энергия, запасенная, например, в мышцах человека, преобразуется в механическую энергию(кинетическую энергию движения).

Опишите цепочку преобразований солнечной энергии по рис. 39.4, б.

Рис. 39.4. Преобразования солнечной энергии в природе (а); технике (б)

Пример 2.Рассмотрим «движение» энергии во время работы гидроэлектростанции(рис. 39.5).

Плотина перегородила реку — образовалось водохранилище, уровень воды в котором выше, чем за плотиной, поэтому вода в водохранилище имеет потенциальную энергию. Падая с высоты, вода теряет потенциальную энергию, но приобретает кинетическую.

Попадая на лопасти турбины, вода отдает ей свою кинетическую энергию, и турбина приобретает кинетическую энергию вращения.

Турбина вращает ротор электрического генератора, в котором механическая энергия вращения преобразуется в электрическую энергию.

По проводам электрическая энергия доходит до электролампы в вашем жилье и в ней преобразуется в световую и тепловую энергии.

Рис. 39.5. Гидроэлектростанция: а — схема работы; б — вид (Днепрогэс)

Во время каждого из процессов часть энергии преобразуется во внутреннюю (нагрев воды, подшипников турбины и генератора, проводов и т. д.).

В каждой из приведенных цепочек энергия преобразуется из одного вида в другой, но общее количество энергии остается неизменным (энергия сохраняется). Если на любом этапе преобразований найти сумму всех значений разных видов энергий, эта сумма всегда будет одинакова.

й к Подводим итоги

%,л\ Всю доступную для наблюдения часть материального мира называют

Вселенной. Все объекты Вселенной и присущие им явления наука разделяет на три качественно разных уровня: микромир, макромир и мегамир.

Все физические явления и существование объектов Вселенной можно объяснить на основе фундаментальных видов взаимодействий: гравитационного, электромагнитного, сильного, слабого.

Вселенная существует в пространстве и времени, свойствами которых объясняется существование фундаментальных законов сохранения, — законов, которым подчиняются все процессы любого структурного уровня Вселенной. К таким законам относятся, например, закон сохранения и превращения энергии и закон сохранения импульса.

Каждая физическая теория имеет границы применения. С появлением новых знаний создается новая теория, которая обычно содержит предыдущую теорию как составляющую.

Контрольные вопросы

1. Назовите структурные уровни Вселенной. Какая теория преимущественно описывает каждый из этих уровней? 2. Почему любая физическая теория имеет границы применимости? 3. Какие фундаментальные взаимодействия вы знаете? Приведите примеры их проявлений. 4. Какие виды энергии вы знаете? 5. Приведите примеры проявления закона сохранения и превращение энергии.

Упражнение № 39

1. Среди полезных хозяйственных советов есть такой: чтобы картофель, хранящийся зимой на балконе, не подмерз, в ящике для хранения нужно разместить электрическую лампу накаливания и периодически ее включать. Зачем? Разве в темноте холоднее, чем при свете?

2. На рис. 1 представлено несколько примеров преобразования энергии. Какой вид энергии и в какой преобразуется в каждом случае?

3. Какие преобразования энергии происходят при запуске на орбиту космического корабля? при подъеме лифта? забивании гвоздя в доску?

4. Воспользовавшись данными рис. 2, определите КПД автомобиля.

5. При объединении двух частиц возникла более сложная частица и выделилась некоторая энергия E (рис. 3, а). Затем частицу разделили, восстановив начальное состояние (рис. 3, б). Выделилась или поглотилась при этом энергия? Сколько энергии выделилось или поглотилось?

6. Воспользовавшись радиоактивным рядом Тория (см. рис. 23.9), запишите одну реакцию β-распада и одну реакцию α-распада. Докажите, что во время этих реакций выполняется закон сохранения электрического заряда.


Экспериментальное задание

Используя гимнастический обруч, веревку, линейку и секундомер, докажите справедливость закона сохранения механической энергии.

1. Измерьте длину обруча и подвесьте его так, чтобы точки подвеса были в вершинах правильного треугольника (рис. 4).

2. Закрутите обруч так, чтобы веревка в верхней части была туго скручена.

3. Измерьте высоту h, на которую при этом поднялся обруч.

4. Отпустите обруч — он начнет вращаться. Когда скорость вращения обруча будет приближаться к максимальной (веревка почти полностью раскрутится), определите скорость движения точек обруча. Для этого измерьте время пяти полных оборотов, вычислите период вращения T и воспользуйтесь формулой v = l/T, где l — длина обруча.

5. Найдите отношение потенциальной энергии поднятого обруча к кинетической энергии движения его точек. Сделайте вывод.

Физика и техника в Украине

Виктор Михайлович Глушков (1923-1982) — всемирно известный украинский советский ученый, академик, автор фундаментальных работ в области кибернетики, математики и вычислительной техники, основатель и первый директор Института кибернетики НАНУ (Киев), который сегодня носит его имя.

Первые разработки Института кибернетики — ЭВМ «Киев» и универсальная управляющая машина «Днепр», которая была достойным конкурентом лучшим зарубежным аналогам. Первой машиной для инженерных расчетов стала ЭВМ «Луч» со ступенчатым микропрограммным управлением, следующими — уникальные вычислительные системы «МИР-1», «МИР-2», «МИР-3». Со временем идеи Глушкова были реализованы его учениками при создании самых быстродействующих на то время систем ЕС-2701 и ЕС-1766 с номинальной производительностью свыше 1 млрд операций в секунду.

По инициативе В. М. Глушкова в 1969 г. на базе Киевского университета им. Тараса Шевченко был открыт факультет кибернетики.

В 1982 г. Академия наук УССР учредила премию им. В. Г. Глушкова за выдающиеся научные работы в области кибернетики, общей теории вычислительных машин и систем.

скачать dle 11.0фильмы бесплатно

Популярне з Фізики за 9 клас

Добавити коментар

Автору дуже потрібно знати, чи Вам допоміг даний матеріал?!

    • bowtiesmilelaughingblushsmileyrelaxedsmirk
      heart_eyeskissing_heartkissing_closed_eyesflushedrelievedsatisfiedgrin
      winkstuck_out_tongue_winking_eyestuck_out_tongue_closed_eyesgrinningkissingstuck_out_tonguesleeping
      worriedfrowninganguishedopen_mouthgrimacingconfusedhushed
      expressionlessunamusedsweat_smilesweatdisappointed_relievedwearypensive
      disappointedconfoundedfearfulcold_sweatperseverecrysob
      joyastonishedscreamtired_faceangryragetriumph
      sleepyyummasksunglassesdizzy_faceimpsmiling_imp
      neutral_faceno_mouthinnocent
оновити, якщо не видно коду

Коментарів 0


Ми створили сайт TEXTBOOKS з метою розміщення матеріалів (шкільних підручників) Міністерства Освіти України, для покращення освітнього процесу учнів у школах та вузах України.
Онлайн перегляд шкільного матеріалу допоможе Вам знайти якісну відповідь на поставлені питання вчителя.
Використовуйте Наш ресур для підготовки до ЗНО 2021, адже у нас присутні підготовчі курси з математики, української мови та літератури, англіської мови та історії України.