Wstęp

1.Prawa Newtona

1.1. Prawo bezwładności (pierwsze prawo Newtona)

1.2 Prawo ruchu

1.3. Prawo zachowania pędu (Prawo zachowania pędu)

1.4. Siły bezwładności

1,5. Prawo lepkości

2.1. Prawa termodynamiki

1. 
   Prawo grawitacji

3.2. Oddziaływanie grawitacyjne

3.3. Niebiańska mechanika

1. 
   Silne pola grawitacyjne

3.5. Nowoczesne klasyczne teorie grawitacji

Wniosek

Literatura

Wstęp

Podstawowe prawa fizyki opisują najważniejsze zjawiska w przyrodzie i Wszechświecie. Pozwalają wyjaśnić, a nawet przewidzieć wiele zjawisk. Zatem opierając się wyłącznie na podstawowych prawach fizyki klasycznej (prawach Newtona, prawach termodynamiki itp.), Ludzkość z powodzeniem bada przestrzeń kosmiczną i wysyła statki kosmiczne na inne planety.

W tej pracy chcę rozważyć najważniejsze prawa fizyki i ich relacje. Najważniejszymi prawami mechaniki klasycznej są prawa Newtona, które w zupełności wystarczają do opisania zjawisk zachodzących w makrokosmosie (bez uwzględnienia dużych wartości prędkości czy masy, które bada się w GTR – Ogólnej Teorii Względności, czyli SRT – Teorii Specjalnej). teorii względności.)

1. 
   Prawa Newtona

Prawa mechaniki Newtona - trzy ustawy leżące u podstaw tzw. Mechanika klasyczna. Sformułowany przez I. Newtona (1687). Pierwsze prawo: „Każde ciało pozostaje w stanie spoczynku lub w ruchu jednostajnym i prostoliniowym, dopóki przyłożone siły nie zmuszą go do zmiany tego stanu”. Drugie prawo: „Zmiana pędu jest proporcjonalna do przyłożonej siły napędowej i następuje w kierunku linii prostej, wzdłuż której działa ta siła”. Trzecie prawo: „Akcja zawsze wywołuje równą i przeciwną reakcję, w przeciwnym razie oddziaływania dwóch ciał na siebie są równe i skierowane w przeciwne strony”.

1.1. Zako ́ dziewięć ́ racje żywnościowe (Pierwsze Prawo Nowego ́ tony) : ciało swobodne, na które nie działają siły innych ciał, znajduje się w stanie spoczynku lub w ruchu jednostajnym liniowym (pojęcie prędkości odnosi się tu do środka masy ciała w przypadku ruchu nieprzesuwnego) ). Innymi słowy, ciała charakteryzują się bezwładnością (od łacińskiej bezwładności - „bezczynność”, „bezwładność”), czyli zjawiskiem utrzymywania prędkości, jeśli kompensowane są na nie wpływy zewnętrzne.

Układy odniesienia, w których spełniona jest zasada bezwładności, nazywane są inercyjnymi układami odniesienia (IRS).

Prawo bezwładności zostało po raz pierwszy sformułowane przez Galileo Galilei, który po wielu eksperymentach doszedł do wniosku, że aby swobodne ciało poruszało się ze stałą prędkością, nie jest potrzebna żadna przyczyna zewnętrzna. Wcześniej powszechnie akceptowano inny punkt widzenia (wracając do Arystotelesa): ciało wolne znajduje się w spoczynku, a aby poruszać się ze stałą prędkością, konieczne jest przyłożenie stałej siły.

Następnie Newton sformułował prawo bezwładności jako pierwsze ze swoich trzech słynnych praw.

Zasada względności Galileusza: we wszystkich inercjalnych układach odniesienia wszystkie procesy fizyczne przebiegają w ten sam sposób. W układzie odniesienia doprowadzonym do stanu spoczynku lub jednostajnego ruchu prostoliniowego względem inercjalnego układu odniesienia (konwencjonalnie „w spoczynku”) wszystkie procesy przebiegają dokładnie tak samo, jak w układzie w spoczynku.

Należy zauważyć, że pojęcie inercjalnego układu odniesienia to abstrakcyjny model (rozważany jest pewien idealny obiekt zamiast obiektu rzeczywistego. Przykładami abstrakcyjnego modelu są absolutnie sztywne ciało lub nieważka nić), zawsze powiązane są rzeczywiste układy odniesienia z jakimś przedmiotem i zgodność faktycznie zaobserwowanego ruchu ciał w takich układach z wynikami obliczeń będzie niepełna.

1.2 Prawo ruchu - matematyczne sformułowanie ruchu ciała lub sposobu, w jaki zachodzi bardziej ogólny rodzaj ruchu.

W mechanice klasycznej punktu materialnego prawo ruchu przedstawia trzy zależności trzech współrzędnych przestrzennych od czasu lub zależność jednej wielkości wektorowej (wektor promienia) od czasu w postaci

Zasadę ruchu można znaleźć, w zależności od problemu, albo na podstawie różniczkowych praw mechaniki, albo na podstawie praw całkowych.

Prawo zachowania energii - podstawowe prawo natury, które mówi, że energia układu zamkniętego jest zachowywana w czasie. Innymi słowy, energia nie może powstać z niczego i nie może zniknąć w niczym; może jedynie przechodzić z jednej formy do drugiej.

Prawo zachowania energii występuje w różnych gałęziach fizyki i przejawia się w zachowaniu różnych rodzajów energii. Na przykład w mechanice klasycznej prawo to przejawia się w zachowaniu energii mechanicznej (suma energii potencjalnej i kinetycznej). W termodynamice prawo zachowania energii nazywane jest pierwszą zasadą termodynamiki i mówi o zachowaniu energii oprócz energii cieplnej.

Ponieważ prawo zachowania energii nie dotyczy konkretnych wielkości i zjawisk, ale odzwierciedla ogólny wzór, który ma zastosowanie wszędzie i zawsze, bardziej słuszne jest nazywanie go nie prawem, ale zasadą zachowania energii.

Szczególnym przypadkiem jest Prawo Zachowania Energii Mechanicznej – energia mechaniczna konserwatywnego układu mechanicznego jest zachowywana w czasie. Mówiąc prosto, przy braku sił takich jak tarcie (siły rozpraszające), energia mechaniczna nie powstaje z niczego i nie może nigdzie zniknąć.

Ek1+Ep1=Ek2+Ep2

Prawo zachowania energii jest prawem integralnym. Oznacza to, że składa się z działania praw różniczkowych i jest własnością ich połączonego działania. Czasami mówi się na przykład, że niemożność zbudowania maszyny perpetuum mobile wynika z prawa zachowania energii. Ale to nieprawda. Tak naprawdę w każdym projekcie maszyny perpetuum mobile zostaje uruchomione jedno z praw różniczkowych, które powoduje, że silnik przestaje działać. Prawo zachowania energii po prostu uogólnia ten fakt.

Zgodnie z twierdzeniem Noether, prawo zachowania energii mechanicznej jest konsekwencją jednorodności czasu.

1.3. Zako ́ bezpieczny ́ nia i ́ impuls (Zako ́ bezpieczny ́ nie, jeśli ́ jakość ruchu) stwierdza, że ​​suma pędów wszystkich ciał (lub cząstek) układu zamkniętego jest wartością stałą.

Z praw Newtona można wykazać, że poruszając się w pustej przestrzeni pęd jest zachowany w czasie, a w obecności interakcji szybkość jego zmiany zależy od sumy przyłożonych sił. W mechanice klasycznej prawo zachowania pędu wyprowadza się zwykle z praw Newtona. Jednak to prawo zachowania obowiązuje również w przypadkach, gdy mechanika Newtona nie ma zastosowania (fizyka relatywistyczna, mechanika kwantowa).

Jak każde z praw zachowania, prawo zachowania pędu opisuje jedną z podstawowych symetrii - jednorodność przestrzeni

Trzecie prawo Newtona wyjaśnia, co dzieje się z dwoma oddziałującymi na siebie ciałami. Weźmy na przykład układ zamknięty składający się z dwóch ciał. Pierwsze ciało może oddziaływać na drugie z pewną siłą F12, a drugie na pierwsze z siłą F21. Jak porównują się siły? Trzecie prawo Newtona stwierdza: siła akcji jest równa co do wielkości i ma przeciwny kierunek do siły reakcji. Podkreślmy, że siły te przykładane są do różnych ciał i dlatego nie są w ogóle kompensowane.

Samo prawo:

Ciała działają na siebie siłami skierowanymi wzdłuż tej samej linii prostej, o jednakowej wartości i przeciwnym kierunku: .

1.4. Siły bezwładności

Prawa Newtona, ściśle mówiąc, obowiązują tylko w inercjalnych układach odniesienia. Jeśli uczciwie zapiszemy równanie ruchu ciała w nieinercjalnym układzie odniesienia, to będzie ono różniło się wyglądem od drugiej zasady Newtona. Często jednak, aby uprościć rozważania, wprowadza się pewną fikcyjną „siłę bezwładności”, a następnie te równania ruchu przepisuje się w formie bardzo podobnej do drugiej zasady Newtona. Matematycznie wszystko tutaj jest poprawne (poprawne), ale z punktu widzenia fizyki nowej fikcyjnej siły nie można uznać za coś rzeczywistego, w wyniku jakiejś rzeczywistej interakcji. Podkreślmy jeszcze raz: „siła bezwładności” jest jedynie wygodną parametryzacją tego, jak różnią się prawa ruchu w inercyjnych i nieinercyjnych układach odniesienia.

1,5. Prawo lepkości

Prawo lepkości Newtona (tarcie wewnętrzne) jest wyrażeniem matematycznym odnoszącym się do naprężenia tarcia wewnętrznego τ (lepkość) i zmianą prędkości ośrodka v w przestrzeni

(szybkość odkształcania) dla ciał płynnych (cieczy i gazów):

gdzie wartość η nazywana jest współczynnikiem tarcia wewnętrznego lub współczynnikiem lepkości dynamicznej (jednostka CGS – puaz). Współczynnik lepkości kinematycznej ma wartość μ = η / ρ (jednostką CGS jest Stokes, ρ to gęstość ośrodka).

Prawo Newtona można wyznaczyć analitycznie, stosując metody kinetyki fizycznej, gdzie lepkość jest zwykle rozpatrywana jednocześnie z przewodnością cieplną i odpowiadającym jej prawem Fouriera dotyczącym przewodności cieplnej. W kinetycznej teorii gazów współczynnik tarcia wewnętrznego oblicza się ze wzoru

gdzie jest średnią prędkością ruchu termicznego cząsteczek, λ jest średnią swobodną ścieżką.

2.1. Prawa termodynamiki

Termodynamika opiera się na trzech prawach, które formułuje się na podstawie danych eksperymentalnych i dlatego można je przyjąć jako postulaty.

* I zasada termodynamiki. Jest to sformułowanie uogólnionego prawa zachowania energii dla procesów termodynamicznych. W najprostszej formie można to zapisać jako δQ = δA + d”U, gdzie dU jest całkowitą różnicą energii wewnętrznej układu, a δQ i δA to elementarna ilość ciepła i elementarna praca wykonana w układzie Należy wziąć pod uwagę, że δA i δQ nie mogą być uważane za różnice w zwykłym znaczeniu tego pojęcia.Z punktu widzenia pojęć kwantowych prawo to można interpretować w następujący sposób: dU jest zmianą energii danego układu kwantowego, δA jest zmianą energii układu na skutek zmiany populacji poziomów energetycznych układu, a δQ jest zmianą energii układu kwantowego na skutek zmian w strukturze energii poziomy.

* II zasada termodynamiki: Druga zasada termodynamiki wyklucza możliwość zbudowania maszyny perpetuum mobile drugiego rodzaju. Istnieje kilka różnych, ale jednocześnie równoważnych sformułowań tego prawa. 1 - Postulat Clausiusa. Proces, w którym nie zachodzi żadna inna zmiana poza przeniesieniem ciepła z ciała gorącego do zimnego, jest nieodwracalny, to znaczy ciepło nie może przemieszczać się z ciała zimnego do gorącego bez innych zmian w układzie. Zjawisko to nazywa się rozpraszaniem lub dyspersją energii. 2 - postulat Kelvina. Proces, w którym praca zamienia się w ciepło bez innych zmian w układzie, jest nieodwracalny, to znaczy nie ma możliwości zamiany całego ciepła pobranego ze źródła o jednakowej temperaturze na pracę bez dokonania innych zmian w układzie.

* III zasada termodynamiki: Twierdzenie Nernsta: Entropię dowolnego układu w temperaturze zera absolutnego można zawsze przyjąć jako równą zeru

3.1. Prawo grawitacji

Grawitacja (powszechna grawitacja, grawitacja) (od łacińskiego gravitas - „ciężkość”) to fundamentalna interakcja w przyrodzie o dalekim zasięgu, której podlegają wszystkie ciała materialne. Według współczesnych danych jest to oddziaływanie uniwersalne w tym sensie, że w przeciwieństwie do innych sił nadaje takie samo przyspieszenie wszystkim bez wyjątku ciałom, niezależnie od ich masy. Decydującą rolę w skali kosmicznej odgrywa głównie grawitacja. Termin grawitacja jest również używany jako nazwa gałęzi fizyki badającej oddziaływania grawitacyjne. Najbardziej skuteczną współczesną teorią fizyczną w fizyce klasycznej, która opisuje grawitację, jest ogólna teoria względności; kwantowa teoria interakcji grawitacyjnych nie została jeszcze skonstruowana.

3.2. Oddziaływanie grawitacyjne

Oddziaływanie grawitacyjne jest jednym z czterech podstawowych oddziaływań w naszym świecie. W ramach mechaniki klasycznej oddziaływanie grawitacyjne opisuje prawo powszechnego ciążenia Newtona, które stwierdza, że ​​siła przyciągania grawitacyjnego pomiędzy dwoma punktami materialnymi o masach m1 i m2, oddalonymi od siebie o odległość R, wynosi

Tutaj G jest stałą grawitacji równą m³/(kg s²). Znak minus oznacza, że ​​siła działająca na ciało jest zawsze równa wektorowi promienia skierowanemu na ciało, tj. oddziaływanie grawitacyjne zawsze prowadzi do przyciągania dowolnych ciał.

Pole grawitacyjne jest potencjalne. Oznacza to, że można wprowadzić energię potencjalną przyciągania grawitacyjnego pary ciał, a energia ta nie ulegnie zmianie po przesunięciu ciał po zamkniętej pętli. Z potencjalności pola grawitacyjnego wynika prawo zachowania sumy energii kinetycznej i potencjalnej, a przy badaniu ruchu ciał w polu grawitacyjnym często znacznie upraszcza się rozwiązanie. W ramach mechaniki Newtona oddziaływanie grawitacyjne ma charakter dalekiego zasięgu. Oznacza to, że niezależnie od tego, jak porusza się masywne ciało, w dowolnym punkcie przestrzeni potencjał grawitacyjny zależy jedynie od położenia ciała w danym momencie.

Duże obiekty kosmiczne - planety, gwiazdy i galaktyki mają ogromną masę i dlatego tworzą znaczne pola grawitacyjne. Grawitacja jest najsłabszym oddziaływaniem. Ponieważ jednak działa na wszystkich odległościach i wszystkie masy są dodatnie, jest mimo to bardzo ważną siłą we Wszechświecie. Dla porównania: całkowity ładunek elektryczny tych ciał wynosi zero, ponieważ substancja jako całość jest elektrycznie obojętna. Ponadto grawitacja, w przeciwieństwie do innych interakcji, ma uniwersalny wpływ na całą materię i energię. Nie odkryto żadnych obiektów, które w ogóle nie oddziaływałyby grawitacyjnie.

Grawitacja ze względu na swój globalny charakter odpowiada za skutki tak wielkoskalowe, jak budowa galaktyk, czarne dziury i ekspansja Wszechświata, a także za elementarne zjawiska astronomiczne - orbity planet i proste przyciąganie do powierzchni Ziemia i upadek ciał.

Grawitacja była pierwszą interakcją opisaną przez teorię matematyczną. W starożytności Arystoteles wierzył, że ciała o różnych masach spadają z różną prędkością. Dopiero znacznie później Galileo Galilei eksperymentalnie ustalił, że tak nie jest – jeśli wyeliminujemy opór powietrza, wszystkie ciała będą przyspieszać jednakowo. Prawo powszechnego ciążenia Izaaka Newtona (1687) dobrze opisywało ogólne zachowanie grawitacji. W 1915 roku Albert Einstein stworzył Ogólną Teorię Względności, która dokładniej opisuje grawitację w kategoriach geometrii czasoprzestrzeni.

3.3. Mechanika nieba i niektóre jej zadania

Dział mechaniki badający ruch ciał w pustej przestrzeni jedynie pod wpływem grawitacji nazywa się mechaniką nieba.

Najprostszym problemem mechaniki nieba jest oddziaływanie grawitacyjne dwóch ciał w pustej przestrzeni. Problem ten został rozwiązany analitycznie do końca; wynik jego rozwiązania często formułuje się w postaci trzech praw Keplera.

W miarę wzrostu liczby oddziałujących ze sobą ciał zadanie staje się dramatycznie bardziej skomplikowane. Zatem słynnego już problemu trzech ciał (czyli ruchu trzech ciał o niezerowych masach) nie można rozwiązać analitycznie w ogólnej formie. W przypadku rozwiązania numerycznego niestabilność rozwiązań względem warunków początkowych następuje dość szybko. Ta niestabilność, zastosowana do Układu Słonecznego, uniemożliwia przewidzenie ruchu planet w skali przekraczającej sto milionów lat.

W niektórych szczególnych przypadkach możliwe jest znalezienie rozwiązania przybliżonego. Najważniejszy przypadek ma miejsce wtedy, gdy masa jednego ciała jest znacznie większa od masy innych ciał (przykłady: Układ Słoneczny i dynamika pierścieni Saturna). W tym przypadku w pierwszym przybliżeniu możemy założyć, że ciała świetliste nie oddziałują ze sobą i poruszają się po trajektoriach keplerowskich wokół masywnego ciała. Interakcje między nimi można uwzględnić w ramach teorii zaburzeń i uśrednić w czasie. Mogą w tym przypadku powstać nietrywialne zjawiska, takie jak rezonanse, atraktory, chaos itp. Wyraźnym przykładem takich zjawisk jest nietrywialna budowa pierścieni Saturna.

Pomimo prób opisania zachowania układu dużej liczby przyciągających się ciał o w przybliżeniu tej samej masie, nie da się tego zrobić ze względu na zjawisko chaosu dynamicznego.

3.4. Silne pola grawitacyjne

W silnych polach grawitacyjnych, gdy poruszają się z relatywistycznymi prędkościami, zaczynają pojawiać się efekty ogólnej teorii względności:

Odchylenie prawa grawitacji od prawa Newtona;

Opóźnienie potencjałów związane ze skończoną prędkością propagacji zaburzeń grawitacyjnych; pojawienie się fal grawitacyjnych;

Efekty nieliniowe: fale grawitacyjne mają tendencję do wzajemnego oddziaływania, więc zasada superpozycji fal w silnych polach nie jest już aktualna;

Zmiana geometrii czasoprzestrzeni;

Pojawienie się czarnych dziur;

3.5. Nowoczesne klasyczne teorie grawitacji

Ze względu na to, że kwantowe efekty grawitacji są niezwykle małe nawet w najbardziej ekstremalnych warunkach eksperymentalnych i obserwacyjnych, nadal nie ma ich wiarygodnych obserwacji. Z szacunków teoretycznych wynika, że ​​w zdecydowanej większości przypadków można ograniczyć się do klasycznego opisu oddziaływania grawitacyjnego.

Istnieje współczesna kanoniczna klasyczna teoria grawitacji - ogólna teoria względności oraz wiele wyjaśniających hipotez i teorii o różnym stopniu rozwoju, konkurujących ze sobą (patrz artykuł Alternatywne teorie grawitacji). Wszystkie te teorie dają bardzo podobne przewidywania w ramach przybliżeń, w jakich obecnie przeprowadza się testy eksperymentalne. Poniżej znajduje się kilka podstawowych, najlepiej rozwiniętych i znanych teorii grawitacji.

Teoria grawitacji Newtona opiera się na koncepcji grawitacji, która jest siłą o dużym zasięgu: działa natychmiastowo w dowolnej odległości. Ten natychmiastowy charakter działania jest niezgodny z paradygmatem pola współczesnej fizyki, a w szczególności ze szczególną teorią względności, stworzoną w 1905 roku przez Einsteina, inspirowaną twórczością Poincarégo i Lorentza. Według teorii Einsteina żadna informacja nie może przemieszczać się szybciej niż prędkość światła w próżni.

Matematycznie siła grawitacji Newtona jest wyprowadzana z energii potencjalnej ciała w polu grawitacyjnym. Potencjał grawitacyjny odpowiadający tej energii potencjalnej jest zgodny z równaniem Poissona, które nie jest niezmienne w przypadku transformacji Lorentza. Powodem niezmienniczości jest to, że energia w szczególnej teorii względności nie jest wielkością skalarną, ale wchodzi w składową czasu 4-wektora. Wektorowa teoria grawitacji okazuje się podobna do teorii pola elektromagnetycznego Maxwella i prowadzi do ujemnej energii fal grawitacyjnych, co jest związane z naturą oddziaływania: podobnie jak ładunki (masa) w grawitacji przyciągają się, a nie odpychają, ponieważ w elektromagnetyzmie. Tym samym teoria grawitacji Newtona jest niezgodna z podstawową zasadą szczególnej teorii względności – niezmiennością praw natury w dowolnym inercjalnym układzie odniesienia oraz uogólnieniem teorii Newtona na wektory bezpośrednie, zaproponowanym po raz pierwszy przez Poincarégo w 1905 r. praca „O dynamice elektronu” prowadzi do fizycznie niezadowalających wyników.

Einstein rozpoczął poszukiwania teorii grawitacji, która byłaby zgodna z zasadą niezmienności praw natury w stosunku do dowolnego układu odniesienia. Efektem tych poszukiwań była ogólna teoria względności, oparta na zasadzie identyczności masy grawitacyjnej i bezwładnościowej.

Zasada równości mas grawitacyjnych i bezwładnościowych

W klasycznej mechanice Newtona istnieją dwie koncepcje masy: pierwsza odnosi się do drugiego prawa Newtona, a druga do prawa powszechnego ciążenia. Pierwsza masa - bezwładna (lub inercyjna) - to stosunek siły niegrawitacyjnej działającej na ciało do jego przyspieszenia. Druga masa - grawitacyjna (lub, jak to się czasem nazywa, ciężka) - określa siłę przyciągania ciała przez inne ciała i własną siłę przyciągania. Ogólnie rzecz biorąc, te dwie masy są mierzone, jak widać z opisu, w różnych eksperymentach, a zatem wcale nie muszą być względem siebie proporcjonalne. Ich ścisła proporcjonalność pozwala mówić o pojedynczej masie ciała zarówno w oddziaływaniach niegrawitacyjnych, jak i grawitacyjnych. Poprzez odpowiedni dobór jednostek masy te można sobie zrównać.

Sama zasada została zaproponowana przez Izaaka Newtona, a równość mas została przez niego zweryfikowana eksperymentalnie ze względną dokładnością 10-3. Pod koniec XIX wieku Eötvös przeprowadził bardziej subtelne eksperymenty, podnosząc dokładność testowania zasady do 10-9. W XX wieku technologia eksperymentalna umożliwiła potwierdzenie równości mas ze względną dokładnością 10-12-10-13 (Braginsky, Dicke i in.).

Czasami zasadę równości mas grawitacyjnych i bezwładności nazywa się zasadą słabej równoważności. Albert Einstein oparł je na ogólnej teorii względności.

Zasada ruchu po liniach geodezyjnych

Jeżeli masa grawitacyjna jest dokładnie równa masie bezwładności, to w wyrażeniu na przyspieszenie ciała, na które działają tylko siły grawitacyjne, obie masy znoszą się. Zatem przyspieszenie ciała, a co za tym idzie jego trajektoria, nie zależy od masy i budowy wewnętrznej ciała. Jeżeli wszystkie ciała w tym samym punkcie przestrzeni otrzymają to samo przyspieszenie, to przyspieszenie to można powiązać nie z właściwościami ciał, ale z właściwościami samej przestrzeni w tym punkcie.

Zatem opis oddziaływania grawitacyjnego pomiędzy ciałami można sprowadzić do opisu czasoprzestrzeni, w której poruszają się ciała. Naturalnym założeniem jest założenie, podobnie jak Einstein, że ciała poruszają się na zasadzie bezwładności, to znaczy w taki sposób, że ich przyspieszenie w ich własnym układzie odniesienia wynosi zero. Trajektorie ciał będą wówczas liniami geodezyjnymi, których teorię opracowali matematycy już w XIX wieku.

Same linie geodezyjne można znaleźć, określając w czasoprzestrzeni analogię odległości między dwoma zdarzeniami, tradycyjnie nazywaną przedziałem lub funkcją świata. Przedział w przestrzeni trójwymiarowej i jednowymiarowym czasie (innymi słowy w czterowymiarowej czasoprzestrzeni) jest dany przez 10 niezależnych składowych tensora metrycznego. Te 10 liczb tworzy metrykę przestrzeni. Definiuje „odległość” pomiędzy dwoma nieskończenie bliskimi punktami czasoprzestrzeni w różnych kierunkach. Linie geodezyjne odpowiadające liniom świata ciał fizycznych, których prędkość jest mniejsza od prędkości światła, okazują się liniami największego czasu własnego, czyli czasu mierzonego przez zegar sztywno przymocowany do ciała podążającego tą trajektorią.

Współczesne eksperymenty potwierdzają ruch ciał wzdłuż linii geodezyjnych z taką samą dokładnością, jak równość mas grawitacyjnych i bezwładnościowych.

Wniosek

Z praw Newtona wynikają bezpośrednio pewne interesujące wnioski. Zatem trzecie prawo Newtona mówi, że niezależnie od tego, w jaki sposób ciała oddziałują na siebie, nie mogą one zmienić swojego całkowitego pędu: powstaje prawo zachowania pędu. Następnie musimy wymagać, aby potencjał oddziaływania dwóch ciał zależał jedynie od modułu różnicy współrzędnych tych ciał U(|r1-r2|). Powstaje wówczas prawo zachowania całkowitej energii mechanicznej oddziałujących ciał:

Prawa Newtona są podstawowymi prawami mechaniki. Można z nich wyprowadzić wszystkie inne prawa mechaniki.

Jednocześnie prawa Newtona nie stanowią najgłębszego poziomu sformułowania mechaniki klasycznej. W ramach mechaniki Lagrangianu istnieje jeden wzór (zapis działania mechanicznego) i jeden postulat (ciała poruszają się tak, aby działanie było minimalne), z czego można wyprowadzić wszystkie prawa Newtona. Co więcej, w ramach formalizmu Lagrange'a łatwo można rozpatrywać hipotetyczne sytuacje, w których działanie ma inną formę. W tym przypadku równania ruchu nie będą już podobne do praw Newtona, ale sama mechanika klasyczna nadal będzie miała zastosowanie...

Rozwiązywanie równań ruchu

Równanie F = ma (czyli drugie prawo Newtona) jest równaniem różniczkowym: przyspieszenie jest drugą pochodną współrzędnej po czasie. Oznacza to, że ewolucję układu mechanicznego w czasie można jednoznacznie określić, jeśli zostaną określone jego współrzędne początkowe i prędkości początkowe. Zauważmy, że gdyby równania opisujące nasz świat były równaniami pierwszego rzędu, to z naszego świata zniknęłyby takie zjawiska jak bezwładność, oscylacje i fale.

Studium Podstawowych Praw Fizyki potwierdza, że ​​nauka rozwija się stopniowo: każdy etap, każde otwarte prawo jest etapem rozwoju, ale nie daje ostatecznych odpowiedzi na wszystkie pytania.

Literatura:

1. 
   Wielka Encyklopedia Radziecka (Prawa mechaniki Newtona i inne artykuły), 1977, „Encyklopedia radziecka”
2. 
   Encyklopedia internetowa www.wikipedia.com

3. Biblioteka „Detlaf A.A., Yavorsky B.M., Milkovskaya L.B. - Kurs fizyki (tom 1). Mechanika. Podstawy fizyki molekularnej i termodynamiki

Federalna Agencja Edukacji

GOU VPO Rybińska Państwowa Akademia Lotnicza im. PA Solovyova

Katedra „Fizyki Ogólnej i Technicznej”

ABSTRAKCYJNY

W dyscyplinie „Koncepcje współczesnych nauk przyrodniczych”

Temat: „Podstawowe prawa fizyki”

Grupa ZKS-07

Student Balshin A.N.

Nauczyciel: Wasiliuk O.V.

Żadna sfera ludzkiej działalności nie może obejść się bez nauk ścisłych. I niezależnie od tego, jak złożone są relacje międzyludzkie, sprowadzają się one również do tych praw. sugeruje pamiętanie o prawach fizyki, z którymi człowiek spotyka się i doświadcza każdego dnia swojego życia.

Najprostszym, ale najważniejszym prawem jest Prawo zachowania i transformacji energii.

Energia dowolnego układu zamkniętego pozostaje stała dla wszystkich procesów zachodzących w układzie. A ty i ja znaleźliśmy się w takim zamkniętym systemie. Te. ile dajemy, tyle otrzymamy. Jeśli chcemy coś otrzymać, musimy przed tym dać tyle samo. I nic więcej!

A my oczywiście chcemy otrzymywać dużą pensję bez konieczności chodzenia do pracy. Czasem rodzi się złudzenie, że „głupcy mają szczęście” i wielu ludziom szczęście spada na głowy. Przeczytaj dowolną bajkę. Bohaterowie nieustannie muszą pokonywać ogromne trudności! Albo pływaj w zimnej wodzie, albo we wrzącej wodzie.

Mężczyźni przyciągają uwagę kobiet zalotami. Kobiety z kolei opiekują się wtedy tymi mężczyznami i dziećmi. I tak dalej. Jeśli więc chcesz coś otrzymać, zadaj sobie trud i najpierw to daj.

Siła akcji jest równa sile reakcji.

To prawo fizyki w zasadzie odzwierciedla poprzednie. Jeżeli ktoś dopuścił się czynu negatywnego – świadomie lub nie – i następnie otrzymał odpowiedź, tj. sprzeciw. Czasami przyczyna i skutek są rozdzielone w czasie i możesz nie od razu zrozumieć, w którą stronę wieje wiatr. Najważniejszą rzeczą, o której musimy pamiętać, jest to, że nic nie dzieje się samo.

Prawo dźwigni.

Archimedes wykrzyknął: „ Daj mi oparcie, a poruszę Ziemię!" Każdy ciężar można przesunąć, jeśli wybierzesz odpowiednią dźwignię. Zawsze musisz oszacować, jak długo potrzebna będzie dźwignia, aby osiągnąć ten czy inny cel i wyciągnąć dla siebie wnioski, ustalić priorytety: czy musisz włożyć tyle wysiłku, aby stworzyć odpowiednią dźwignię i przenieść ten ciężar, czy jest to łatwiejsze zostawić to w spokoju i zająć się innymi zajęciami.

Zasada świdra.

Zasadą jest, że wskazuje kierunek pola magnetycznego. Zasada ta odpowiada na odwieczne pytanie: kto jest winny? I wskazuje, że sami jesteśmy winni wszystkiego, co nam się przydarza. Bez względu na to, jak obraźliwe może to być, bez względu na to, jak trudne może to być, bez względu na to, jak niesprawiedliwe może się to wydawać na pierwszy rzut oka, zawsze musimy mieć świadomość, że przede wszystkim to my sami byliśmy przyczyną.

Prawo gwoździa.

Kiedy ktoś chce wbić gwóźdź, nie puka gdzieś w pobliżu gwoździa, puka dokładnie w główkę gwoździa. Ale same gwoździe nie wbijają się w ściany. Zawsze należy wybrać odpowiedni młotek, aby uniknąć złamania gwoździa młotem. A podczas punktowania musisz obliczyć cios, aby głowa się nie zgięła. Zachowaj prostotę, dbajcie o siebie nawzajem. Naucz się myśleć o swoim bliźnim.

I wreszcie prawo entropii.

Entropia jest miarą nieuporządkowania układu. Innymi słowy, im większy chaos w systemie, tym większa entropia. Bardziej precyzyjne sformułowanie: podczas spontanicznych procesów zachodzących w układach entropia zawsze rośnie. Z reguły wszystkie procesy spontaniczne są nieodwracalne. Prowadzą do realnych zmian w systemie i nie da się przywrócić go do pierwotnego stanu bez wydatkowania energii. W tym przypadku nie da się dokładnie odtworzyć (100%) stanu pierwotnego.

Aby lepiej zrozumieć, o jakim porządku i nieporządku mówimy, przeprowadźmy eksperyment. Wsyp czarno-biały granulat do szklanego słoika. Najpierw dodamy czarne, potem białe. Pellet będzie ułożony w dwóch warstwach: czarna na dole, biała na górze - wszystko jest w porządku. Następnie potrząśnij słoiczkiem kilka razy. Pellet zostanie równomiernie wymieszany. I niezależnie od tego, jak bardzo będziemy następnie potrząsać tym słojem, jest mało prawdopodobne, że będziemy w stanie zapewnić, że granulki ponownie ułożą się w dwóch warstwach. Oto entropia w akcji!

Za uporządkowany uważa się stan, w którym pelety ułożone były w dwóch warstwach. Stan, w którym granulki są równomiernie wymieszane, uważa się za nieuporządkowany. Powrót do uporządkowanego stanu wymaga niemal cudu! Lub wielokrotna żmudna praca z pelletami. A sianie spustoszenia w banku nie wymaga prawie żadnego wysiłku.

Koło samochodowe. Kiedy jest napompowany, ma nadmiar darmowej energii. Koło może się poruszać, co oznacza, że ​​działa. To jest porządek. A co jeśli przebijesz oponę? Ciśnienie w nim spadnie, darmowa energia „odejdzie” do otoczenia (rozproszy się), a takie koło nie będzie już mogło pracować. To jest chaos. Aby przywrócić system do stanu pierwotnego, tj. Żeby wszystko uporządkować trzeba sporo pracy: uszczelnić dętkę, zamontować koło, napompować itd., po czym znów jest to rzecz niezbędna, która może się przydać.

Ciepło przekazywane jest z ciała gorącego do ciała zimnego i nie odwrotnie. Proces odwrotny jest teoretycznie możliwy, ale praktycznie nikt się tego nie podejmie, ponieważ będzie to wymagało kolosalnych wysiłków, specjalnych instalacji i sprzętu.

Również w społeczeństwie. Ludzie się starzeją. Domy się walą. Klify toną w morzu. Galaktyki się rozpraszają. Każda otaczająca nas rzeczywistość spontanicznie zmierza w kierunku nieporządku.

Jednak ludzie często mówią o nieporządku jako o wolności: „ Nie, nie chcemy porządku! Daj nam taką wolność, aby każdy mógł robić co chce!„Ale kiedy każdy robi, co chce, to nie jest wolność – to jest chaos. Dziś wiele osób chwali nieporządek, propaguje anarchię – słowem wszystko, co niszczy i dzieli. Ale wolność nie jest w chaosie, wolność jest dokładnie w porządku.

Organizując swoje życie, człowiek tworzy zapas darmowej energii, którą następnie wykorzystuje do realizacji swoich planów: pracy, nauki, rekreacji, kreatywności, sportu itp. – innymi słowy, przeciwstawia się entropii. W przeciwnym razie, jak moglibyśmy zgromadzić tak wiele bogactw materialnych w ciągu ostatnich 250 lat?!

Entropia jest miarą nieuporządkowania, miarą nieodwracalnego rozpraszania energii. Im większa entropia, tym większy nieporządek. Dom, w którym nikt nie mieszka, rozpada się. Żelazo rdzewieje z biegiem czasu i samochód się starzeje. Relacje, o których utrzymanie nikt nie dba, ulegają zniszczeniu. Podobnie jest ze wszystkim innym w naszym życiu, absolutnie wszystkim!

Naturalnym stanem natury nie jest równowaga, ale wzrost entropii. To prawo działa nieubłaganie w życiu jednej osoby. Nie musi nic robić, aby jego entropia wzrosła, dzieje się to samoistnie, zgodnie z prawem natury. Aby zmniejszyć entropię (nieporządek), należy włożyć wiele wysiłku. To taki policzek dla głupio pozytywnych ludzi (pod leżącym kamieniem nie płynie woda), a tego jest całkiem sporo!

Utrzymanie sukcesu wymaga ciągłego wysiłku. Jeśli się nie rozwijamy, to się degradujemy. Aby zachować to, co mieliśmy wcześniej, musimy dziś zrobić więcej niż wczoraj. Można utrzymać porządek, a nawet ulepszyć: jeśli farba na domu wyblakła, można go ponownie pomalować, a nawet piękniej niż wcześniej.

Ludzie powinni próbować „pacyfikować” arbitralne, destrukcyjne zachowania, które panują wszędzie we współczesnym świecie, próbować zredukować stan chaosu, który przyspieszyliśmy do ogromnych granic. I to jest prawo fizyczne, a nie tylko gadanie o depresji i negatywnym myśleniu. Wszystko albo się rozwija, albo psuje.

Żywy organizm rodzi się, rozwija i umiera, i nikt nigdy nie zaobserwował, że po śmierci ożywa, staje się młodszy i powraca do nasienia lub łona. Kiedy mówią, że przeszłość nigdy nie wraca, to oczywiście mają na myśli przede wszystkim te zjawiska życiowe. Rozwój organizmów wyznacza pozytywny kierunek strzałki czasu, a przejście z jednego stanu układu do drugiego następuje zawsze w tym samym kierunku dla wszystkich bez wyjątku procesów.

Walerian Chupin

Źródło informacji: Tchaikovsky.News

Komentarze (3)

Bogactwo współczesnego społeczeństwa rośnie i będzie rosło w coraz większym stopniu, przede wszystkim dzięki powszechnej pracy. Kapitał przemysłowy był pierwszą historyczną formą produkcji społecznej, kiedy zaczęto intensywnie wyzyskiwać pracę powszechną. I najpierw ten, który dostał za darmo. Nauka, jak zauważył Marks, nie kosztuje kapitału. Rzeczywiście, ani jeden kapitalista nie płacił wynagrodzenia Archimedesowi, Cardano, Galileuszowi, Huygensowi czy Newtonowi za praktyczne wykorzystanie ich pomysłów. Ale to kapitał przemysłowy na masową skalę zaczyna eksploatować technologię mechaniczną, a tym samym ucieleśnioną w niej ogólną pracę. Marx K, Engels F. Soch., t. 25, cz. 1, s. 25. 116.

Ciekawość otaczającego nas świata oraz wzorców jego funkcjonowania i rozwoju jest czymś naturalnym i właściwym. Dlatego rozsądne jest zwrócenie uwagi na nauki przyrodnicze, na przykład fizykę, która wyjaśnia samą istotę powstawania i rozwoju Wszechświata. Podstawowe prawa fizyczne nie są trudne do zrozumienia. Szkoły zapoznają dzieci z tymi zasadami już w bardzo młodym wieku.

Dla wielu nauka ta zaczyna się od podręcznika „Fizyka (7 klasa)”. Dzieciom w wieku szkolnym ukazuje się podstawowe pojęcia termodynamiki, zapoznają się z rdzeniem głównych praw fizycznych. Ale czy wiedzę należy ograniczać do szkoły? Jakie prawa fizyczne powinien znać każdy człowiek? Zostanie to omówione w dalszej części artykułu.

Fizyka naukowa

Wiele niuansów opisanej nauki jest znanych wszystkim od wczesnego dzieciństwa. Wynika to z faktu, że w istocie fizyka jest jedną z dziedzin nauk przyrodniczych. Opowiada o prawach natury, których działanie wpływa na życie każdego człowieka, a pod wieloma względami wręcz je zapewnia, o cechach materii, jej budowie i wzorcach ruchu.

Termin „fizyka” został po raz pierwszy zarejestrowany przez Arystotelesa w IV wieku p.n.e. Początkowo było to synonimem pojęcia „filozofia”. Przecież obie nauki miały jeden cel – prawidłowe wyjaśnienie wszystkich mechanizmów funkcjonowania Wszechświata. Ale już w XVI wieku, w wyniku rewolucji naukowej, fizyka usamodzielniła się.

Prawo ogólne

Niektóre podstawowe prawa fizyki znajdują zastosowanie w różnych dziedzinach nauki. Oprócz nich są takie, które uważane są za wspólne całej naturze. To jest o

Oznacza to, że energia każdego układu zamkniętego podczas występowania w nim jakichkolwiek zjawisk jest z pewnością zachowana. Niemniej jednak jest w stanie przekształcić się w inną formę i skutecznie zmieniać swoją zawartość ilościową w różnych częściach nazwanego systemu. Jednocześnie w układzie otwartym energia maleje, pod warunkiem, że energia wszelkich ciał i pól, które z nią oddziałują, wzrasta.

Oprócz powyższej ogólnej zasady fizyka zawiera podstawowe pojęcia, wzory, prawa, które są niezbędne do interpretacji procesów zachodzących w otaczającym świecie. Odkrywanie ich może być niezwykle ekscytujące. Dlatego w tym artykule pokrótce omówione zostaną podstawowe prawa fizyki, jednak aby je głębiej zrozumieć, ważne jest zwrócenie na nie pełnej uwagi.

Mechanika

Wiele podstawowych praw fizyki zostaje ujawnionych młodym naukowcom w klasach 7-9 w szkole, gdzie pełniej badana jest taka dziedzina nauki, jak mechanika. Poniżej opisano jego podstawowe zasady.

1. Prawo względności Galileusza (zwane także mechanicznym prawem względności lub podstawą mechaniki klasycznej). Istota zasady polega na tym, że w podobnych warunkach procesy mechaniczne w dowolnych inercjalnych układach odniesienia są całkowicie identyczne.
2. Prawo Hooke’a. Jego istotą jest to, że im większy wpływ na sprężysty korpus (sprężyna, pręt, konsola, belka) z boku, tym większe jest jego odkształcenie.

Prawa Newtona (stanowiące podstawę mechaniki klasycznej):

1. Zasada bezwładności mówi, że każde ciało może znajdować się w spoczynku lub poruszać się ruchem jednostajnym i po linii prostej tylko wtedy, gdy żadne inne ciało na nie nie oddziałuje w żaden sposób lub jeżeli w jakiś sposób kompensują one swoje działanie. Aby zmienić prędkość ruchu, na ciało należy oddziaływać z pewną siłą i oczywiście wynik wpływu tej samej siły na ciała o różnych rozmiarach również będzie się różnił.
2. Główna zasada dynamiki głosi, że im większa jest wypadkowa sił działających aktualnie na dane ciało, tym większe otrzymuje ono przyspieszenie. I odpowiednio, im większa masa ciała, tym niższy jest ten wskaźnik.
3. Trzecie prawo Newtona stwierdza, że ​​dowolne dwa ciała zawsze oddziałują ze sobą według identycznego schematu: ich siły są tej samej natury, są równoważne pod względem wielkości i koniecznie mają przeciwny kierunek wzdłuż linii prostej łączącej te ciała.
4. Zasada względności mówi, że wszystkie zjawiska zachodzące w tych samych warunkach w inercjalnych układach odniesienia zachodzą w absolutnie identyczny sposób.

Termodynamika

Podręcznik szkolny, który odsłania uczniom podstawowe prawa („Fizyka. Klasa 7”), wprowadza ich także w podstawy termodynamiki. Poniżej omówimy pokrótce jego zasady.

Podstawowe w tej gałęzi nauki prawa termodynamiki mają charakter ogólny i nie są związane ze szczegółami budowy konkretnej substancji na poziomie atomowym. Nawiasem mówiąc, zasady te są ważne nie tylko dla fizyki, ale także dla chemii, biologii, inżynierii lotniczej itp.

Przykładowo w wymienionej branży obowiązuje zasada wymykająca się logicznej definicji: w systemie zamkniętym, dla którego warunki zewnętrzne są niezmienne, z czasem ustala się stan równowagi. A procesy zachodzące w nim niezmiennie się kompensują.

Kolejna zasada termodynamiki potwierdza dążenie układu, który składa się z kolosalnej liczby cząstek charakteryzujących się chaotycznym ruchem, do samodzielnego przejścia ze stanów mniej prawdopodobnych dla układu do bardziej prawdopodobnych.

Natomiast prawo Gay-Lussaca (zwane także prawem gazowym) stwierdza, że ​​dla gazu o określonej masie w warunkach stałego ciśnienia wynik podzielenia jego objętości przez temperaturę bezwzględną z pewnością staje się wartością stałą.

Kolejną ważną zasadą tej branży jest pierwsza zasada termodynamiki, zwana także zasadą zachowania i transformacji energii dla układu termodynamicznego. Według niego każda ilość ciepła przekazana układowi zostanie przeznaczona wyłącznie na metamorfozę jego energii wewnętrznej i wykonanie pracy w stosunku do działających sił zewnętrznych. To właśnie ten wzór stał się podstawą do stworzenia schematu działania silników cieplnych.

Kolejnym prawem gazowym jest prawo Charlesa. Stwierdza, że ​​im większe jest ciśnienie określonej masy gazu doskonałego przy zachowaniu stałej objętości, tym wyższa jest jego temperatura.

Elektryczność

10. klasa szkoły odkrywa przed młodymi naukowcami ciekawe podstawowe prawa fizyki. W tym czasie badane są główne zasady natury i wzorców działania prądu elektrycznego, a także inne niuanse.

Na przykład prawo Ampera mówi, że połączone równolegle przewodniki, przez które płynie prąd w tym samym kierunku, nieuchronnie się przyciągają, a w przypadku przeciwnego kierunku prądu odpowiednio odpychają. Czasami tę samą nazwę stosuje się do prawa fizycznego, które określa siłę działającą w istniejącym polu magnetycznym na mały odcinek przewodnika, który aktualnie przewodzi prąd. Tak to nazywają – siła Ampera. Odkrycia tego dokonał naukowiec w pierwszej połowie XIX wieku (tj. w roku 1820).

Prawo zachowania ładunku jest jedną z podstawowych zasad przyrody. Stwierdza, że ​​suma algebraiczna wszystkich ładunków elektrycznych powstających w dowolnym układzie izolowanym elektrycznie jest zawsze zachowana (staje się stała). Mimo to zasada ta nie wyklucza pojawienia się w takich układach w wyniku określonych procesów nowych cząstek naładowanych. Niemniej jednak całkowity ładunek elektryczny wszystkich nowo powstałych cząstek z pewnością musi wynosić zero.

Prawo Coulomba jest jednym z głównych praw elektrostatyki. Wyraża zasadę działania siły oddziaływania między stacjonarnymi ładunkami punktowymi i wyjaśnia ilościowe obliczanie odległości między nimi. Prawo Coulomba umożliwia eksperymentalne uzasadnienie podstawowych zasad elektrodynamiki. Stwierdza, że ​​stacjonarne ładunki punktowe z pewnością oddziałują ze sobą z siłą, która jest tym większa, im większy jest iloczyn ich wielkości, a zatem im mniejszy, im mniejszy jest kwadrat odległości pomiędzy danymi ładunkami a ośrodkiem, w którym się znajdują. zachodzi opisana interakcja.

Prawo Ohma jest jedną z podstawowych zasad elektryczności. Stwierdza, że ​​im większa jest siła prądu stałego działającego na określony odcinek obwodu, tym większe jest napięcie na jego końcach.

Nazywają to zasadą, która pozwala określić kierunek w przewodniku prądu poruszającego się w określony sposób pod wpływem pola magnetycznego. Aby to zrobić, należy ustawić prawą rękę tak, aby linie indukcji magnetycznej w przenośni dotykały otwartej dłoni i wyciągnąć kciuk w kierunku ruchu przewodnika. W takim przypadku pozostałe cztery wyprostowane palce określą kierunek ruchu prądu indukcyjnego.

Zasada ta pomaga również ustalić dokładne położenie linii indukcji magnetycznej prostego przewodnika przewodzącego prąd w danym momencie. Dzieje się to w ten sposób: umieść kciuk prawej ręki tak, aby wskazywał i w przenośni chwyć przewodnik pozostałymi czterema palcami. Położenie tych palców wskaże dokładny kierunek linii indukcji magnetycznej.

Zasada indukcji elektromagnetycznej jest wzorem wyjaśniającym proces działania transformatorów, generatorów i silników elektrycznych. Prawo to jest następujące: w pętli zamkniętej im większa jest wytworzona indukcja, tym większa jest szybkość zmian strumienia magnetycznego.

Optyka

Część optyki uwzględnia także część szkolnego programu nauczania (podstawowe prawa fizyki: klasy 7-9). Dlatego zasady te nie są tak trudne do zrozumienia, jak mogłoby się wydawać na pierwszy rzut oka. Ich studia niosą ze sobą nie tylko dodatkową wiedzę, ale lepsze zrozumienie otaczającej rzeczywistości. Podstawowe prawa fizyki, które można przypisać badaniu optyki, są następujące:

1. Zasada Guynesa. Jest to metoda, która pozwala skutecznie określić dokładne położenie czoła fali w dowolnym ułamku sekundy. Jego istota jest następująca: wszystkie punkty, które w pewnym ułamku sekundy znajdują się na drodze czoła fali, w istocie same stają się źródłami fal sferycznych (wtórnych), natomiast położenie czoła fali w tym samym ułamku sekundy druga jest identyczna z powierzchnią, która krąży wokół wszystkich fal kulistych (wtórnych). Zasada ta służy do wyjaśnienia istniejących praw związanych z załamaniem światła i jego odbiciem.
2. Zasada Huygensa-Fresnela odzwierciedla skuteczną metodę rozwiązywania problemów związanych z propagacją fal. Pomaga wyjaśnić elementarne problemy związane z dyfrakcją światła.
3. fale Jest również używany do odbicia w lustrze. Jego istotą jest to, że zarówno wiązka padająca, jak i ta, która została odbita, a także prostopadła zbudowana z punktu padania wiązki, leżą w jednej płaszczyźnie. Należy również pamiętać, że kąt, pod jakim pada wiązka, jest zawsze absolutnie równy kątowi załamania.
4. Zasada załamania światła. Jest to zmiana trajektorii fali elektromagnetycznej (światła) w momencie przejścia z jednego ośrodka jednorodnego do drugiego, który znacznie różni się od pierwszego pod względem liczby współczynników załamania światła. Prędkość propagacji światła w nich jest inna.
5. Prawo prostoliniowego rozchodzenia się światła. W swej istocie jest to prawo związane z dziedziną optyki geometrycznej, które brzmi następująco: w dowolnym ośrodku jednorodnym (niezależnie od jego charakteru) światło rozchodzi się ściśle prostoliniowo, na najkrótszej odległości. Prawo to w prosty i przystępny sposób wyjaśnia powstawanie cieni.

Fizyka atomowa i jądrowa

Podstawowych praw fizyki kwantowej, a także podstaw fizyki atomowej i jądrowej uczy się w szkołach średnich i na uczelniach wyższych.

Postulaty Bohra reprezentują zatem szereg podstawowych hipotez, które stały się podstawą teorii. Jego istotą jest to, że każdy układ atomowy może pozostać stabilny tylko w stanach stacjonarnych. Jakakolwiek emisja lub absorpcja energii przez atom koniecznie zachodzi zgodnie z zasadą, której istota jest następująca: promieniowanie związane z transportem staje się monochromatyczne.

Postulaty te odnoszą się do standardowego programu nauczania w szkole, polegającej na nauczaniu podstawowych praw fizyki (klasa 11). Ich wiedza jest obowiązkowa dla absolwenta.

Podstawowe prawa fizyki, które każdy powinien znać

Niektóre zasady fizyczne, chociaż należą do jednej z gałęzi tej nauki, mają jednak charakter ogólny i powinny być znane każdemu. Wymieńmy podstawowe prawa fizyki, które człowiek powinien znać:

• Prawo Archimedesa (dotyczy dziedzin hydro- i aerostatyki). Oznacza to, że na każde ciało zanurzone w substancji gazowej lub cieczy działa siła wyporu, która z konieczności jest skierowana pionowo w górę. Siła ta jest zawsze liczbowo równa ciężarowi cieczy lub gazu wypartego przez ciało.
• Inne sformułowanie tego prawa jest następujące: ciało zanurzone w gazie lub cieczy z pewnością traci tyle samo ciężaru, co masa cieczy lub gazu, w którym zostało zanurzone. Prawo to stało się podstawowym postulatem teorii ciał pływających.
• Prawo powszechnego ciążenia (odkryte przez Newtona). Jego istotą jest to, że absolutnie wszystkie ciała nieuchronnie przyciągają się nawzajem z siłą, która jest tym większa, im większy iloczyn mas tych ciał, a zatem im mniejszy, tym mniejszy kwadrat odległości między nimi.

Są to 3 podstawowe prawa fizyki, które powinien znać każdy, kto chce zrozumieć mechanizm funkcjonowania otaczającego świata i specyfikę procesów w nim zachodzących. Zrozumienie zasady ich działania jest dość proste.

Wartość takiej wiedzy

Podstawowe prawa fizyki muszą znajdować się w bazie wiedzy danej osoby, niezależnie od jej wieku i rodzaju aktywności. Odzwierciedlają one mechanizm istnienia całej dzisiejszej rzeczywistości i w istocie są jedyną stałą w ciągle zmieniającym się świecie.

Podstawowe prawa i koncepcje fizyki otwierają nowe możliwości badania otaczającego nas świata. Ich wiedza pomaga zrozumieć mechanizm istnienia Wszechświata i ruchu wszystkich ciał kosmicznych. Nie czyni nas zwykłymi obserwatorami codziennych wydarzeń i procesów, ale pozwala nam być ich świadomymi. Kiedy dana osoba wyraźnie rozumie podstawowe prawa fizyki, czyli wszystkie procesy zachodzące wokół niego, ma możliwość kontrolowania ich w najbardziej efektywny sposób, dokonując odkryć, a tym samym czyniąc swoje życie wygodniejszym.

Wyniki

Niektórzy są zmuszeni dogłębnie przestudiować podstawowe prawa fizyki na potrzeby jednolitego egzaminu państwowego, inni ze względu na zawód, a jeszcze inni z ciekawości naukowej. Niezależnie od celów studiowania tej nauki, korzyści płynące ze zdobytej wiedzy są nie do przecenienia. Nie ma nic bardziej satysfakcjonującego niż zrozumienie podstawowych mechanizmów i wzorców istnienia otaczającego nas świata.

Nie pozostawaj obojętny – rozwijaj się!

Sesja się zbliża i czas przejść od teorii do praktyki. W weekend usiedliśmy i pomyśleliśmy, że wielu uczniów skorzystałoby z posiadania zbioru podstawowych wzorów fizycznych na wyciągnięcie ręki. Suche formuły z wyjaśnieniem: krótkie, zwięzłe, nic zbędnego. Wiesz, bardzo przydatna rzecz przy rozwiązywaniu problemów. A na egzaminie, kiedy dokładnie to, co zapamiętałeś poprzedniego dnia, mogłoby „wyskoczyć ci z głowy”, taki wybór przyda się znakomicie.

Najwięcej problemów zadawanych jest zazwyczaj w trzech najpopularniejszych działach fizyki. Ten Mechanika, termodynamika I Fizyka molekularna, Elektryczność. Weźmy je!

Podstawowe wzory z fizyki, dynamiki, kinematyki, statyki

Zacznijmy od najprostszego. Stary, dobry, ulubiony prosty i jednolity ruch.

Wzory kinematyczne:

Nie zapominajmy oczywiście o ruchu po okręgu, a potem przejdziemy do dynamiki i praw Newtona.

Po dynamice czas zająć się warunkami równowagi ciał i cieczy, tj. statyka i hydrostatyka

Teraz przedstawiamy podstawowe wzory na temat „Praca i energia”. Gdzie byśmy byli bez nich?

Podstawowe wzory fizyki molekularnej i termodynamiki

Zakończmy część mechaniki wzorami na drgania i fale i przejdźmy do fizyki molekularnej i termodynamiki.

Współczynnik wydajności, prawo Gay-Lussaca, równanie Clapeyrona-Mendelejewa - wszystkie te bliskie sercu formuły zebrano poniżej.

Przy okazji! Dla wszystkich naszych czytelników dostępna jest teraz zniżka 10% NA .

Podstawowe wzory w fizyce: elektryczność

Czas przejść do elektryczności, choć jest ona mniej popularna niż termodynamika. Zacznijmy od elektrostatyki.

I w rytm bębna kończymy wzorami na prawo Ohma, indukcję elektromagnetyczną i oscylacje elektromagnetyczne.

To wszystko. Można oczywiście przytoczyć całą górę formuł, ale to nie ma sensu. Gdy formuł jest za dużo, łatwo można się pogubić, a nawet roztopić mózg. Mamy nadzieję, że nasza ściągawka z podstawowymi formułami fizycznymi pomoże Ci szybciej i skuteczniej rozwiązywać ulubione problemy. A jeśli chcesz coś wyjaśnić lub nie znalazłeś odpowiedniego przepisu: zapytaj ekspertów obsługa studentów. Nasi autorzy mają w głowie setki receptur i rozwiązują problemy jak orzechy. Skontaktuj się z nami, a już wkrótce każde zadanie będzie należeć do Ciebie.

10.2. PODSTAWOWE PRAWA FIZYCZNE

Podstawowe prawa fizyczne są jak dotąd najpełniejszym, ale przybliżonym odzwierciedleniem obiektywnych procesów zachodzących w przyrodzie. Różne formy ruchu materii opisują różne podstawowe teorie. Każda z tych teorii opisuje bardzo specyficzne zjawiska: ruch mechaniczny lub termiczny, zjawiska elektromagnetyczne.
W strukturze podstawowych teorii fizycznych istnieją bardziej ogólne prawa, obejmujące wszystkie formy ruchu materii i wszystkie procesy. Są to prawa symetrii, czyli niezmienności, i związane z nimi prawa zachowania wielkości fizycznych.

10.2.1. Prawa zachowania wielkości fizycznych
10.2.1.1. Prawo zachowania masy
10.2.1.2. Prawo zachowania pędu
10.2.1.3. Prawo zachowania ładunku
10.2.1.4. Prawo zachowania energii w procesach mechanicznych

10.2.1. Prawa zachowania wielkości fizycznych

Prawa zachowania wielkości fizycznych to stwierdzenia, zgodnie z którymi wartości liczbowe tych wielkości nie zmieniają się w czasie w żadnym procesie lub klasie procesów. W rzeczywistości w wielu przypadkach prawa zachowania wynikają po prostu z zasad symetrii.
Idea konserwacji pojawiła się po raz pierwszy jako czysto filozoficzne przypuszczenie o obecności tego, co niezmienne (stabilne) w ciągle zmieniającym się świecie. Nawet starożytni filozofowie materialistyczni doszli do koncepcji materii jako niezniszczalnej i niestworzonej podstawy wszystkich rzeczy. Z drugiej strony obserwacja ciągłych zmian w przyrodzie doprowadziła do idei wiecznego ruchu materii jako jej ważnej właściwości. Wraz z pojawieniem się matematycznego sformułowania mechaniki na tej podstawie wyłoniły się prawa zachowania.
Prawa zachowania są ściśle powiązane z właściwościami symetrii układów fizycznych. W tym przypadku przez symetrię rozumie się niezmienność praw fizycznych w odniesieniu do pewnej grupy przekształceń wielkości w nich zawartych. Obecność symetrii prowadzi do tego, że dla danego układu istnieje zachowana wielkość fizyczna. Jeśli znane są właściwości symetrii układu, z reguły można znaleźć dla niego prawo zachowania i odwrotnie.
Zatem prawa ochrony są następujące:
1. Reprezentuj najbardziej ogólną formę determinizmu.
2. Potwierdź strukturalną jedność świata materialnego.
3. Pozwala wyciągnąć wniosek na temat natury zachowania systemu.
4. Odkrywają istnienie głębokiego związku pomiędzy różnymi formami ruchu materii.
Najważniejsze prawa zachowania, obowiązujące dla dowolnych systemów izolowanych, to:
- prawo zachowania i przemiany energii;
- prawo zachowania pędu;
- prawo zachowania ładunku elektrycznego;
- Prawo zachowania masy.
Oprócz uniwersalnych istnieją prawa zachowania, które obowiązują tylko dla ograniczonej klasy systemów i zjawisk. Istnieją na przykład prawa ochrony przyrody, które działają tylko w mikrokosmosie. Ten:
- prawo zachowania barionu lub ładunku jądrowego;
- prawo zachowania ładunku leptonowego;
- prawo zachowania spinu izotopowego;
- prawo zachowania obcości.
We współczesnej fizyce odkryto pewną hierarchię praw zachowania i zasad symetrii. Niektóre z tych zasad mają zastosowanie do każdej interakcji, podczas gdy inne mają zastosowanie tylko do silnych interakcji. Hierarchia ta wyraźnie objawia się w wewnętrznych zasadach symetrii działających w mikrokosmosie.
Rozważmy najważniejsze prawa ochrony.

10.2.1.1. Prawo zachowania masy

Przekształcenia i zmiany materii w przyrodzie są nieskończenie różnorodne. Badaczy niepokoiło pytanie: czy substancja zachowuje się podczas tych zmian? Każdy z nas musiał obserwować, jak z biegiem czasu każda rzecz, nawet stal, zużywa się i zmniejsza swój rozmiar. Ale czy to oznacza, że ​​najmniejsze cząsteczki metalu znikają bez śladu? Nie, po prostu się gubią, rozsypują w różne strony, wyrzucają ze śmieciami, odlatują, tworząc kurz.
W przyrodzie zachodzą także inne przemiany. Na przykład palisz papierosa. Mija kilka minut, a z tytoniu nie zostaje nic poza niewielką górką popiołu i jasnoniebieskim dymem unoszącym się w powietrzu. Lub na przykład płonie świeca. Stopniowo staje się coraz mniejszy. Nie pozostał tu nawet popiół. Paląc się bez pozostałości, świeca i to, z czego się składa, ulega chemicznej przemianie substancji. Cząstki tytoniu i świecy nie rozsypują się i nie gubią stopniowo w różnych miejscach. Wypalają się i najwyraźniej znikają bez śladu.
Obserwując przyrodę, ludzie od dawna zwracają uwagę na inne zjawiska, w których materia zdaje się powstawać z „niczego”. I tak na przykład z małego nasionka w doniczce wyrasta duża roślina, a masa gleby zawartej w doniczce pozostaje prawie taka sama. Czy coś istniejącego w świecie naprawdę może zniknąć lub odwrotnie, pojawić się z niczego? Innymi słowy, czy materia, z której zbudowana jest cała różnorodność naszego świata, jest zniszczalna czy niezniszczalna?
2400 p.n.e mi. słynny filozof starożytnej Grecji Demokryt napisał, że: „Nic nie może powstać z niczego, nic, co istnieje, nie może zostać zniszczone”.
Znacznie później, w XVI-XVII w. idea ta została wznowiona i została już wyrażona przez wielu naukowców. Jednak takie stwierdzenia były jedynie przypuszczeniami, a nie teorią naukową potwierdzoną eksperymentami. Stanowisko to zostało po raz pierwszy udowodnione i potwierdzone doświadczeniem wielkiego rosyjskiego naukowca M.V. Łomonosow.
Łomonosow był głęboko przekonany o niezniszczalności materii, że nic na świecie nie może zniknąć bez śladu. Przy wszelkich zmianach substancji, interakcjach chemicznych - niezależnie od tego, czy proste ciała łączą się, tworząc złożone, czy też, odwrotnie, złożone ciała rozkładają się na pojedyncze pierwiastki chemiczne - całkowita ilość substancji pozostaje niezmieniona. Innymi słowy, pomimo wszystkich zmian, całkowita masa substancji musi pozostać niezmieniona. Niech w wyniku jakiejś reakcji znikną dwie oddziałujące ze sobą substancje i otrzymamy nieznaną trzecią - masa nowo utworzonego związku musi być równa masie dwóch pierwszych.
Doskonale rozumiejąc znaczenie praw zachowania i niezniszczalności materii dla nauki, Łomonosow szukał potwierdzenia swoich myśli. Postanowił powtórzyć eksperymenty angielskiego naukowca z XVII wieku. R. Boyle'a.
Boyle'a interesowała zmiana masy metalu po podgrzaniu. Dokonał następującego doświadczenia: w szklanej retorcie umieścił kawałek metalu i zważył go.
Następnie zapieczętowawszy wąską szyjkę naczynia, podgrzał je nad ogniem. Dwie godziny później Boyle zdjął naczynie z ognia, odłamał szyjkę retorty i po ostygnięciu zważył. Metal zwiększył swoją wagę.
Boyle widział przyczynę w tym, że maleńkie cząstki „materii ogniowej” przedostają się przez szkło do naczynia i łączą się z metalem. W czasach Boyle'a i Łomonosowa naukowcy wyjaśniali niezrozumiałe zjawiska naturalne za pomocą różnych nieuchwytnych „spraw”, ale nie potrafili powiedzieć, czym one były. Łomonosow nie uznał istnienia tajemniczej „materii”. Był pewien, że przyczyna wzrostu masy była inna i postanowił udowodnić, że nie ma „subtelnej, wszechprzenikającej materii ognia”, a także, że podczas przemian chemicznych całkowita masa substancji uczestniczących pierwiastków w reakcji pozostaje niezmieniona.
Łomonosow powtórzył eksperyment Boyle'a i uzyskał ten sam wynik: wzrosła masa metalu. Następnie zmodyfikował doświadczenie: po podgrzaniu retorty nad ogniem i ostudzeniu zważył ją w naczyniu, nie odrywając szyjki. Udowodnił więc, że „bez dopływu powietrza zewnętrznego ciężar spalonego metalu pozostanie w jednej mierze, a materia ognia nie przedostanie się do retorty”.
Łomonosow tłumaczył wzrost masy w przypadku otwarcia retorty przed ważeniem zależnością od absorpcji powietrza przez metal. Teraz wiemy, że po podgrzaniu metale utleniają się i łączą z tlenem. W eksperymencie Boyle'a metal pobiera tlen z powietrza w zamkniętej retorcie. Jednocześnie jego ciężar wzrasta dokładnie w tym samym stopniu, w jakim maleje ciężar powietrza w retorcie. Dzięki temu całkowity ciężar zamkniętej retorty i umieszczonego w niej korpusu nie ulega zmianie. Choć zachodzi tu utlenianie, to całkowita ilość substancji nie zmniejsza się ani nie zwiększa – masa substancji biorących udział w reakcji nie zmienia się. Kiedy jednak retorta zostanie otwarta, do kolby przedostanie się powietrze z zewnątrz, aby zastąpić tlen pochłonięty przez metal, powodując wzrost ciężaru retorty.
Więc M.V. Łomonosow odkrył prawo zachowania materii lub, jak to się nazywa, prawo zachowania masy. 17 lat po Łomonosowie prawo to zostało potwierdzone licznymi eksperymentami francuskiego chemika A. Lavoisiera. Następnie prawo zachowania masy zostało wielokrotnie potwierdzone licznymi i różnorodnymi eksperymentami. Obecnie jest to jedno z podstawowych praw leżących u podstaw nauk przyrodniczych.

10.2.1.2. Prawo zachowania pędu

Spoczynek i ruch ciała są względne, prędkość ruchu zależy od wyboru układu odniesienia. Zgodnie z drugim prawem Newtona, niezależnie od tego, czy ciało znajdowało się w spoczynku, czy poruszało się ruchem jednostajnym i prostoliniowym, zmiana jego prędkości ruchu może nastąpić jedynie pod wpływem siły, tj. w wyniku interakcji z innymi ciałami.
Istnieje wielkość fizyczna, która zmienia się jednakowo dla wszystkich ciał pod działaniem tych samych sił, jeśli czas działania siły jest taki sam, równy iloczynowi masy ciała przez jego prędkość i nazywany pędem ciała ciało. Zmiana pędu jest równa pędowi przyłożonej siły. Pęd ciała jest ilościową cechą ruchu postępowego ciał.
Badania eksperymentalne interakcji różnych ciał - od planet i gwiazd po atomy i elektrony, cząstki elementarne - wykazały, że w dowolnym układzie ciał oddziałujących ze sobą, przy braku działania sił z innych ciał nie wchodzących w skład układu , lub suma działających sił jest równa zeru, suma geometryczna impulsów ciał pozostaje stała.
Układ ciał, które nie oddziałują z innymi ciałami nieuwzględnionymi w tym układzie, nazywa się zamkniętym. Zatem w układzie zamkniętym suma geometryczna pędów ciał pozostaje stała dla dowolnego oddziaływania ciał tego układu ze sobą. To podstawowe prawo natury nazywa się prawem zachowania pędu.
Warunkiem koniecznym zastosowania zasady zachowania pędu do układu oddziałujących ciał jest zastosowanie inercjalnego układu odniesienia. Ruch reaktywny opiera się na prawie zachowania pędu i wykorzystuje się go do obliczania eksplozji ukierunkowanych, np. przy budowie tuneli w górach. Loty w kosmos stały się możliwe dzięki zastosowaniu rakiet wielostopniowych.

10.2.1.3. Prawo zachowania ładunku

Nie wszystkie zjawiska naturalne można zrozumieć i wyjaśnić za pomocą pojęć i praw mechaniki, molekularno-kinetycznej teorii budowy materii i termodynamiki. Nauki te nie mówią nic o naturze sił, które wiążą poszczególne atomy i cząsteczki oraz utrzymują atomy i cząsteczki substancji w stanie stałym w pewnej odległości od siebie. Prawa interakcji atomów i cząsteczek można zrozumieć i wyjaśnić w oparciu o koncepcję istnienia ładunków elektrycznych w przyrodzie.
Najprostszym i najbardziej codziennym zjawiskiem ujawniającym fakt istnienia ładunków elektrycznych w przyrodzie jest elektryzacja ciał w wyniku kontaktu. Oddziaływanie ciał wykryte podczas elektryzowania nazywa się oddziaływaniem elektromagnetycznym, a wielkość fizyczna określająca oddziaływanie elektromagnetyczne nazywa się ładunkiem elektrycznym. Zdolność ładunków elektrycznych do przyciągania i odpychania wskazuje na obecność dwóch różnych rodzajów ładunków: dodatniego i ujemnego.
Ładunki elektryczne mogą powstawać nie tylko w wyniku elektryzacji w momencie zetknięcia się ciał, ale także podczas innych oddziaływań, na przykład pod wpływem siły (efekt piezoelektryczny). Ale zawsze w układzie zamkniętym, który nie obejmuje ładunków, dla wszelkich interakcji ciał algebraiczna (tj. Biorąc pod uwagę znak) suma ładunków elektrycznych wszystkich ciał pozostaje stała. Ten eksperymentalnie ustalony fakt nazywa się prawem zachowania ładunku elektrycznego.
Nigdzie i nigdy w naturze ładunki elektryczne tego samego znaku nie powstają ani nie znikają. Pojawieniu się ładunku dodatniego zawsze towarzyszy pojawienie się ładunku ujemnego równego wartości bezwzględnej, ale o przeciwnym znaku. Ani ładunki dodatnie, ani ujemne nie mogą znikać oddzielnie od siebie, jeśli są równe w wartości bezwzględnej.
Pojawianie się i zanikanie ładunków elektrycznych na ciałach w większości przypadków tłumaczy się przejściami elementarnych naładowanych cząstek - elektronów - z jednego ciała do drugiego. Jak wiadomo, każdy atom zawiera dodatnio naładowane jądro i ujemnie naładowane elektrony. W atomie obojętnym całkowity ładunek elektronów jest dokładnie równy ładunkowi jądra atomowego. Ciało składające się z obojętnych atomów i cząsteczek ma całkowity ładunek elektryczny równy zero.
Jeśli w wyniku jakiejś interakcji część elektronów przejdzie z jednego ciała do drugiego, wówczas jedno ciało otrzyma ujemny ładunek elektryczny, a drugie otrzyma ładunek dodatni o tej samej wielkości. Kiedy stykają się dwa ciała o różnym ładunku, zwykle ładunki elektryczne nie znikają bez śladu, lecz nadwyżka elektronów przechodzi z ciała naładowanego ujemnie do ciała, w którym część atomów nie posiadała pełnego uzupełnienia elektronów ich skorupy.
Szczególnym przypadkiem jest spotkanie elementarnych naładowanych antycząstek, na przykład elektronu i pozytonu. W tym przypadku dodatnie i ujemne ładunki elektryczne faktycznie znikają, unicestwiają, ale w pełnej zgodzie z prawem zachowania ładunku elektrycznego, ponieważ algebraiczna suma ładunków elektronu i pozytonu wynosi zero.

10.2.1.4. Prawo zachowania energii w procesach mechanicznych

Energię mechaniczną dzielimy na dwa rodzaje: potencjalną i kinetyczną. Energia potencjalna charakteryzuje ciała oddziałujące, a energia kinetyczna charakteryzuje ciała poruszające się. Zarówno energia potencjalna, jak i kinetyczna zmieniają się jedynie w wyniku takiego oddziaływania ciał, w którym siły działające na ciała wykonują pracę różną od zera.
Rozważmy teraz kwestię zmiany energii podczas oddziaływania ciał tworzących układ zamknięty. Jeśli kilka ciał oddziałuje ze sobą jedynie za pomocą sił grawitacyjnych i sprężystości i nie działają żadne siły zewnętrzne, to dla dowolnego oddziaływania ciał suma energii kinetycznej i potencjalnej ciał pozostaje stała. Stwierdzenie to nazywa się prawem zachowania energii w procesach mechanicznych.
Suma energii kinetycznej i potencjalnej ciał nazywana jest całkowitą energią mechaniczną. Dlatego prawo zachowania energii można sformułować w następujący sposób: całkowita energia mechaniczna zamkniętego układu ciał oddziałujących z siłami grawitacji i sprężystości pozostaje stała.
Główną treścią prawa zachowania energii jest nie tylko ustalenie faktu zachowania całkowitej energii mechanicznej, ale także ustalenie możliwości wzajemnych przemian energii kinetycznej i potencjalnej w jednakowej ilości ilościowej podczas oddziaływania ciał.
Prawo zachowania całkowitej energii mechanicznej w procesach z udziałem sprężystości i sił grawitacyjnych jest jednym z podstawowych praw mechaniki. Znajomość tego prawa ułatwia rozwiązanie wielu problemów, które mają ogromne znaczenie w życiu praktycznym.
Na przykład energia rzek jest powszechnie wykorzystywana do wytwarzania energii elektrycznej. W tym celu buduje się tamy i blokuje rzeki. Pod wpływem grawitacji woda ze zbiornika za zaporą spływa studnią z przyspieszoną prędkością i uzyskuje energię kinetyczną. Kiedy szybko poruszający się strumień wody zderza się z łopatkami turbiny hydraulicznej, energia kinetyczna ruchu postępowego wody zostaje zamieniona na energię kinetyczną ruchu obrotowego wirników turbiny, a następnie za pomocą napędu elektrycznego generator w energię elektryczną.
Energia mechaniczna nie jest zachowana, jeśli pomiędzy ciałami działają siły tarcia. Samochód poruszający się po poziomym odcinku drogi po wyłączeniu silnika pokonuje pewien dystans i zatrzymuje się pod wpływem sił tarcia. Kiedy samochód hamował, klocki hamulcowe, opony samochodowe i asfalt nagrzewały się. W wyniku działania sił tarcia energia kinetyczna samochodu nie zanikła, lecz zamieniła się w energię wewnętrzną ruchu termicznego cząsteczek.
Zatem podczas jakichkolwiek interakcji fizycznych energia nie powstaje, a jedynie przekształca się z jednej formy w drugą. Ten eksperymentalnie ustalony fakt nazywa się prawem zachowania i transformacji energii.
Źródła energii na Ziemi są duże i zróżnicowane. Dawno, dawno temu, w starożytności ludzie znali tylko jedno źródło energii - siłę mięśni i siłę zwierząt domowych. Energia odnawiała się poprzez żywność. Obecnie większość pracy wykonują maszyny, dla których źródłem energii są różnego rodzaju paliwa kopalne: węgiel, torf, ropa naftowa, a także energia wodna i wiatrowa.
Jeśli prześledzimy „rodowód” wszystkich tych różnorodnych rodzajów energii, okaże się, że wszystkie są energią promieni słonecznych. Energia otaczającej nas przestrzeni kosmicznej jest akumulowana przez Słońce w postaci energii jąder atomowych, pierwiastków chemicznych, pól elektromagnetycznych i grawitacyjnych. Słońce z kolei dostarcza Ziemi energię objawiającą się w postaci energii wiatru i fal, przypływów i odpływów, w postaci geomagnetyzmu, różnego rodzaju promieniowania (w tym radioaktywności podłoża itp.), energii mięśni świat zwierząt.
Energia geofizyczna uwalniana jest w postaci klęsk żywiołowych (wulkanizm, trzęsienia ziemi, burze, tsunami itp.), metabolizmu w organizmach żywych (które stanowią podstawę życia), użytecznej pracy w poruszających się ciałach, zmiany ich struktury, jakości, przekazywania informacji , magazynowanie energii w różnego typu bateriach, kondensatorach, odkształcenia sprężyste sprężyn, membran.
Wszelkie formy energii, przekształcające się w siebie poprzez ruch mechaniczny, reakcje chemiczne i promieniowanie elektromagnetyczne, ostatecznie zamieniają się w ciepło i są rozpraszane w otaczającej przestrzeni. Zjawisko to objawia się procesami wybuchowymi, spalaniem, gniciem, topnieniem, parowaniem, deformacją i rozpadem radioaktywnym. W przyrodzie istnieje cykl energii, charakteryzujący się tym, że w przestrzeni kosmicznej dokonuje się nie tylko chaotyzacja, ale także jej proces odwrotny - porządkowanie struktury, co wyraźnie widać przede wszystkim w powstawaniu gwiazd, przemianach i pojawianiu się nowych elektromagnetycznych i pola grawitacyjne, a one ponownie niosą swoją energię nowym „układom słonecznym”. I wszystko wraca do normy.
Prawo zachowania energii mechanicznej sformułował niemiecki naukowiec A. Leibniz. Następnie niemiecki naukowiec Yu.R. Mayer, angielski fizyk J. Joule i niemiecki naukowiec G. Helmholtz odkryli eksperymentalnie prawa zachowania energii w zjawiskach niemechanicznych.
I tak już w połowie XIX w. ukształtowały się prawa zachowania masy i energii, które interpretowano jako prawa zachowania materii i ruchu. Na początku XX wieku. oba te prawa zachowania uległy radykalnej rewizji w związku z pojawieniem się szczególnej teorii względności: przy opisywaniu ruchów z prędkościami bliskimi prędkości światła klasyczną mechanikę newtonowską zastąpiono mechaniką relatywistyczną. Okazało się, że masa, określona na podstawie bezwładności ciała, zależy od jego prędkości i dlatego charakteryzuje nie tylko ilość materii, ale także jej ruch. Zmianie uległo także pojęcie energii: energia całkowita okazała się proporcjonalna do masy (E = mc2). Zatem prawo zachowania energii w szczególnej teorii względności w naturalny sposób połączyło prawa zachowania masy i energii, które istniały w mechanice klasycznej. Indywidualnie przepisy te nie są realizowane, tj. Nie da się scharakteryzować ilości materii bez uwzględnienia jej ruchu i interakcji.
Ewolucja prawa zachowania energii pokazuje, że prawa zachowania, czerpiąc z doświadczenia, wymagają od czasu do czasu eksperymentalnej weryfikacji i wyjaśnienia. Nie można mieć pewności, że w miarę poszerzania się granic ludzkiej wiedzy to prawo lub jego specyficzne sformułowanie pozostanie aktualne. Coraz bardziej wyrafinowane prawo zachowania energii stopniowo zmienia się z niejasnego i abstrakcyjnego stwierdzenia w precyzyjną formę ilościową.

10.2.1.5. Prawa zachowania w mikrokosmosie

Prawa zachowania odgrywają ważną rolę w teorii kwantowej, w szczególności w fizyce cząstek elementarnych. Prawa konserwatorskie określają zasady selekcji, których naruszenie prowadziłoby do naruszenia praw konserwatorskich. Oprócz wymienionych praw zachowania zachodzących w fizyce ciał makroskopowych, w teorii cząstek elementarnych powstało wiele szczegółowych praw zachowania, które umożliwiają interpretację obserwowanych eksperymentalnie reguł selekcji. Jest to na przykład prawo zachowania barionu lub ładunku jądrowego, które obowiązuje dla wszystkich typów oddziaływań. Według niej materia jądrowa jest zachowana: różnica między liczbą ciężkich cząstek (barionów) a liczbą ich antycząstek nie zmienia się w żadnym procesie. Zachowywane są również lekkie cząstki elementarne - leptony (elektrony, neutrina itp.).
Istnieją również przybliżone prawa ochrony, które są spełnione w niektórych procesach i łamane w innych. Takie prawa zachowania mają sens, jeśli można określić klasę procesów, w których są spełniane. Na przykład prawa zachowania dziwności, spinu izotopowego i parzystości są ściśle spełnione w procesach zachodzących w wyniku oddziaływania silnego, ale są łamane w procesach oddziaływania słabego. Oddziaływanie elektromagnetyczne narusza prawo zachowania spinu izotopowego. Tym samym badania cząstek elementarnych po raz kolejny przypomniały o konieczności sprawdzenia istniejących praw zachowania w każdym obszarze zjawisk. Prowadzone są złożone eksperymenty, których celem jest wykrycie możliwych słabych naruszeń praw ochrony w mikrokosmosie.
Weryfikacja praw zachowania mechanicznego jest weryfikacją odpowiednich podstawowych właściwości czasoprzestrzeni. Przez długi czas uważano, że oprócz wymienionych elementów symetrii (zachowanie energii wiąże się z jednorodnością czasu, zachowanie pędu wiąże się z jednorodnością przestrzeni), czasoprzestrzeń posiada symetrię lustrzaną, tj. niezmienność przy inwersji przestrzennej. Wtedy należałoby zachować parytet. Jednak w 1857 roku eksperymentalnie odkryto niezachowanie parzystości w oddziaływaniu słabym, co podniosło kwestię rewizji poglądów na temat symetrii czasoprzestrzennej i podstawowych praw zachowania (w szczególności praw zachowania energii i pędu).