Найголовніше з фізики що має. Основні поняття та закони фізики та властивості елементарних частинок матерії
Вступ
1. Закони Ньютона
1.1. Закон інерції (Перший закон Ньютона)
1.2 Закон руху
1.3. Закон збереження імпульсу (Закон збереження кількості руху)
1.4. Сили інерції
1.5. Закон в'язкості
2.1. Закони термодинаміки
Закон всесвітнього тяготіння
3.2. Гравітаційна взаємодія
3.3. Небесна механіка
Сильні гравітаційні поля
3.5. Сучасні класичні теорії гравітації
Висновок
Література
Вступ
Фундаментальні закони фізики описують найважливіші явища у природі та Всесвіті. Вони дозволяють пояснити і навіть передбачити багато явищ. Так, спираючись лише на фундаментальні закони класичної фізики (закони Ньютона, закони термодинаміки тощо), людство успішно освоює космос, відправляє космічні апарати на інші планети.
Я хочу розглянути у цій роботі найважливіші закони фізики та його взаємозв'язок. Найбільш важливими законами класичної механіки є закони Ньютона, яких достатньо, щоб описати явища в макросвіті (без урахування високих значень швидкості чи маси, що вивчається в ЗТО – Загальної теорії Відносності, або СТО – спеціальної теорії відносності.)
Закони Ньютона
Закони механіки Ньютонатри закони, що лежать в основі т.з. класичної механіки Сформульовані І. Ньютоном (1687). Перший закон: “Будь-яке тіло продовжує утримуватися у своєму стані спокою або рівномірного та прямолінійного руху, поки і оскільки воно не спонукається докладеними силами змінити цей стан”. Другий закон: “Зміна кількості руху пропорційно доданої рушійної сили і відбувається за напрямом тієї прямої, якою ця сила діє”. Третій закон: “Дію завжди є рівна і протилежна протидія, інакше, взаємодії двох тіл один на одного між собою рівні та спрямовані у протилежні сторони”.
1.1. Зако ́ ніне ́ рції (Перший закон Нью ́ тону) : вільне тіло, на яке не діють сили з боку інших тіл, перебуває у стані спокою або рівномірного прямолінійного руху (поняття швидкості тут застосовується до центру мас тіла у разі непоступального руху). Інакше кажучи, тілам властива інерція (від латів. inertia - “бездіяльність”, “кісність”), тобто явище збереження швидкості, якщо зовнішні на них компенсовані.
Системи відліку, у яких виконується закон інерції, називаються інерціальними системами відліку (ІСО).
Вперше закон інерції був сформульований Галілео Галілеєм, який після безлічі дослідів уклав, що для руху вільного тіла з постійною швидкістю не потрібно жодної зовнішньої причини. До цього загальноприйнятою була інша точка зору (висхідна до Аристотеля): вільне тіло перебуває у стані спокою, а руху з постійної швидкістю необхідний додаток постійної сили.
Згодом Ньютон сформулював закон інерції як перший із трьох своїх знаменитих законів.
Принцип відносності Галілея: у всіх інерційних системах відліку всі фізичні процеси протікають однаково. У системі відліку, наведеної в стан спокою або рівномірного прямолінійного руху щодо інерційної системи відліку (умовно - “спокоїться”) всі процеси протікають так само, як і в системі, що покоїться.
Слід зазначити, що поняття інерційної системи відліку - абстрактна модель (якийсь ідеальний об'єкт розглядається замість реального об'єкта. Прикладами абстрактної моделі служать абсолютно тверде тіло або невагома нитка), реальні системи відліку завжди пов'язані з будь-яким об'єктом і відповідність реально спостерігається руху тіл у таких системах із результатами розрахунків буде неповним.
1.2 Закон руху - Математичне формулювання того, як рухається тіло або як відбувається рух більш загального виду.
У класичній механіці матеріальної точки закон руху є три залежності трьох просторових координат від часу, або залежність однієї векторної величини (радіус-вектора) від часу, виду
Закон руху можна знайти, залежно від завдання, або з диференціальних законів механіки, або з інтегральних.
Закон збереження енергії - Основний закон природи, який полягає в тому, що енергія замкнутої системи зберігається у часі. Іншими словами, енергія не може виникнути з нічого і не може нікуди зникнути, вона може тільки переходити з однієї форми в іншу.
Закон збереження енергії зустрічається у різних розділах фізики та проявляється у збереженні різних видів енергії. Наприклад, у класичній механіці закон проявляється у збереженні механічної енергії (суми потенційної та кінетичної енергій). У термодинаміці закон збереження енергії називається першим початком термодинаміки та говорить про збереження енергії у сумі з тепловою енергією.
Оскільки закон збереження енергії відноситься не до конкретних величин і явищ, а відображає загальну, застосовну скрізь і завжди закономірність, то правильніше називати його не законом, а принципом збереження енергії.
Частковий випадок – Закон збереження механічної енергії – механічна енергія консервативної механічної системи зберігається в часі. Простіше кажучи, за відсутності сил типу тертя (диссипативных сил) механічна енергія немає з нічого і може нікуди зникнути.
Ек1+Еп1=Ек2+Еп2
Закон збереження енергії – це інтегральний закон. Це означає, що він складається з впливу диференціальних законів і є властивістю їх сукупного впливу. Наприклад, іноді кажуть, що неможливість створити вічний двигун обумовлена законом збереження енергії. Але це не так. Насправді, у кожному проекті вічного двигуна спрацьовує один із диференціальних законів і саме він робить двигун непрацездатним. Закон збереження енергії просто узагальнює цей факт.
Відповідно до теореми Нетер, закон збереження механічної енергії є наслідком однорідності часу.
1.3. Зако ́ н збереженні ́ ня та ́ мпульсу (Зако ́ н збереженні ́ ня коли ́ ства руху) стверджує, що сума імпульсів всіх тіл (або частинок) замкнутої системи є постійною величиною.
p align="justify"> З законів Ньютона можна показати, що при русі в порожньому просторі імпульс зберігається в часі, а за наявності взаємодії швидкість його зміни визначається сумою докладених сил. У класичній механіці закон збереження імпульсу зазвичай виводиться як законів Ньютона. Однак цей закон збереження вірний і у випадках, коли ньютонівська механіка не застосовується (релятивістська фізика, квантова механіка).
Як і будь-який із законів збереження, закон збереження імпульсу описує одну з фундаментальних симетрій, - однорідність простору
Третій закон Ньютона пояснює, що відбувається із двома взаємодіючими тілами. Візьмемо для прикладу замкнуту систему, що складається із двох тіл. Перше тіло може діяти друге з деякою силою F12, а друге - на перше з силою F21. Як співвідносяться сили? Третій закон Ньютона стверджує: сила дії дорівнює модулю і протилежна за напрямом силі протидії. Наголосимо, що ці сили прикладені до різних тіл, а тому зовсім не компенсуються.
Сам закон:
Тіла діють один на одного з силами, спрямованими вздовж однієї і тієї ж прямої, рівними за модулем і протилежними за напрямом: .
1.4. Сили інерції
Закони Ньютона, строго кажучи, справедливі лише в інерційних системах відліку. Якщо ми чесно запишемо рівняння руху тіла в неінерційній системі відліку, воно буде виглядати відрізнятися від другого закону Ньютона. Однак часто для спрощення розгляду вводять якусь фіктивну “силу інерції”, і тоді ці рівняння руху переписуються у вигляді, дуже схожому на другий закон Ньютона. Математично тут все коректно (правильно), але з погляду фізики нову фіктивну силу не можна розглядати як щось реальне, як результат деякої реальної взаємодії. Ще раз наголосимо: "сила інерції" - це лише зручна параметризація того, як відрізняються закони руху в інерційній та неінерційній системах відліку.
1.5. Закон в'язкості
Закон в'язкості (внутрішнього тертя) Ньютона - математичний вираз, що зв'язує напругу внутрішнього тертя τ (в'язкість) та зміну швидкості середовища v у просторі
(швидкість деформації) для текучих тіл (рідин та газів):
де величина η називається коефіцієнтом внутрішнього тертя чи динамічним коефіцієнтом в'язкості (одиниця СГС - пуаз). Кінематичним коефіцієнтом в'язкості називається величина μ = η/ρ (одиниця СГС – Стокс, ρ – щільність середовища).
Закон Ньютона може бути отриманий аналітично прийомами фізичної кінетики, де в'язкість розглядається зазвичай одночасно з теплопровідністю та відповідним законом Фур'є для теплопровідності. У кінетичній теорії газів коефіцієнт внутрішнього тертя обчислюється за формулою
де – середня швидкість теплового руху молекул, λ – середня довжина вільного пробігу.
2.1. Закони термодинаміки
Термодинаміка ґрунтується на трьох законах, які сформульовані на основі експериментальних даних і тому можуть бути прийняті як постулати.
* 1-й закон термодинаміки. Є формулюванням узагальненого закону збереження енергії для термодинамічних процесів. У найбільш простій формі його можна записати як δQ = δA + d"U, де dU є повний диференціал внутрішньої енергії системи, а δQ і δA є елементарна кількість теплоти та елементарна робота, виконана над системою відповідно. Потрібно враховувати, що δA і δQ не можна вважати диференціалами у звичайному сенсі цього поняття З точки зору квантових уявлень цей закон можна інтерпретувати наступним чином: dU є зміна енергії даної квантової системи, δA є зміна енергії системи, обумовлена зміною заселеності енергетичних рівнів системи, а δQ є зміна енергії квантової системи, обумовлена зміною структури енергетичних рівнів.
* 2-й закон термодинаміки: Другий закон термодинаміки виключає можливість створення вічного двигуна другого роду. Є кілька різних, але в той же час еквівалентних формулювань цього закону. 1 – Постулат Клаузіуса. Процес, у якому немає інших змін, крім передачі теплоти від гарячого тіла до холодного, є незворотним, тобто теплота може перейти від холодного тіла до гарячого без будь-яких інших змін у системі. Це називають розсіюванням чи дисперсією енергії. 2 - Постулат Кельвіна. Процес, у якому робота перетворюється на теплоту без будь-яких інших змін у системі, є незворотним, тобто неможливо перетворити на роботу всю теплоту, взяту від джерела з однорідною температурою, не проводячи інших змін у системі.
* 3-й закон термодинаміки: Теорема Нернста: Ентропія будь-якої системи при абсолютному нулі температури завжди може бути прийнята рівною нулю
3.1. Закон всесвітнього тяготіння
Гравітація (всемирне тяжіння, тяжіння) (від латів. gravitas - "тяжкість") - далекодіюча фундаментальна взаємодія в природі, якому піддаються всі матеріальні тіла. За сучасними даними, є універсальним взаємодією у тому сенсі, що, на відміну будь-яких інших сил, всім без винятку тілам незалежно від своїх маси надає однакове прискорення. Головним чином гравітація грає визначальну роль космічних масштабах. Термін гравітація використовується також як назва розділу фізики, що вивчає гравітаційну взаємодію. Найбільш успішною сучасною фізичною теорією в класичній фізиці, що описує гравітацію, є загальна теорія відносності, квантова теорія гравітаційної взаємодії поки що не побудована.
3.2. Гравітаційна взаємодія
Гравітаційна взаємодія – одна з чотирьох фундаментальних взаємодій у нашому світі. У межах класичної механіки, гравітаційне взаємодія описується законом всесвітнього тяжіння Ньютона, який свідчить, що сила гравітаційного тяжіння між двома матеріальними точками маси m1 і m2, розділеними відстанню R, є
Тут G - постійна гравітаційна, рівна м³/(кг с²). Знак мінус означає, що сила, що діє на тіло, завжди дорівнює напрямку радіус-вектору, спрямованому на тіло, тобто гравітаційна взаємодія призводить завжди до тяжіння будь-яких тіл.
Поле тяжкості є потенційно. Це означає, що можна ввести потенційну енергію гравітаційного тяжіння пари тіл, і ця енергія не зміниться після переміщення тіл замкнутим контуром. Потенційність поля тяжкості тягне за собою закон збереження суми кінетичної та потенційної енергії та при вивченні руху тіл у полі тяжіння часто суттєво спрощує рішення. У рамках ньютонівської механіки гравітаційна взаємодія є далекодіючою. Це означає, що як би масивне тіло не рухалося, у будь-якій точці простору гравітаційний потенціал залежить тільки від положення тіла в даний момент часу.
Великі космічні об'єкти – планети, зірки та галактики мають величезну масу і, отже, створюють значні гравітаційні поля. Гравітація – найслабша взаємодія. Однак, оскільки воно діє на будь-яких відстанях і всі маси позитивні, це дуже важлива сила у Всесвіті. Для порівняння: повний електричний заряд цих тіл нуль, оскільки речовина в цілому електрично нейтральна. Також гравітація, на відміну інших взаємодій, універсальна у дії всю матерію і енергію. Не виявлено об'єктів, у яких взагалі не було б гравітаційної взаємодії.
Через глобальний характер гравітація відповідальна і за такі великомасштабні ефекти, як структура галактик, чорні дірки та розширення Всесвіту, і за елементарні астрономічні явища - орбіти планет, і за просте тяжіння до поверхні Землі та падіння тіл.
Гравітація була першою взаємодією, описаною математичною теорією. В античні часи Аристотель вважав, що об'єкти з різною масою падають із різною швидкістю. Тільки набагато пізніше Галілео Галілей експериментально визначив, що це не так – якщо опір повітря усувається, всі тіла прискорюються однаково. Закон загального тяжіння Ісаака Ньютона (1687) добре описував загальну поведінку гравітації. В 1915 Альберт Ейнштейн створив Загальну теорію відносності, більш точно описує гравітацію в термінах геометрії простору-часу.
3.3. Небесна механіка та деякі її завдання
Розділ механіки, що вивчає рух тіл у порожньому просторі, тільки під дією гравітації називається небесною механікою.
Найбільш простим завданням небесної механіки є гравітаційна взаємодія двох тіл у порожньому просторі. Це завдання вирішується аналітично остаточно; Результат її рішення часто формулюють у вигляді трьох законів Кеплера.
При збільшенні кількості тіл, що взаємодіють, завдання різко ускладнюється. Так, вже відома задача трьох тіл (тобто рух трьох тіл з ненульовими масами) не може бути вирішена аналітично в загальному вигляді. При чисельному рішенні, досить швидко настає нестійкість рішень щодо початкових умов. Застосовуючи Сонячну систему, ця нестійкість не дозволяє передбачити рух планет на масштабах, що перевищують сотню мільйонів років.
У окремих випадках вдається знайти наближене рішення. Найбільш важливим є випадок, коли маса одного тіла істотно більша за масу інших тіл (приклади: сонячна система та динаміка кілець Сатурна). У цьому випадку в першому наближенні можна вважати, що легкі тіла не взаємодіють один з одним і рухаються кеплеровими траєкторіями навколо масивного тіла. Взаємодії між ними можна враховувати у межах теорії збурень, і усереднювати за часом. При цьому можуть виникати нетривіальні явища, такі як резонанси, атрактори, хаотичність і т. д. Наочний приклад таких явищ - нетривіальна структура кілець Сатурна.
Незважаючи на спроби описати поведінку системи з великої кількості тіл, що притягуються, приблизно однакової маси, зробити цього не вдається через явище динамічного хаосу.
3.4. Сильні гравітаційні поля
У сильних гравітаційних полях, під час руху з релятивістськими швидкостями, починають виявлятися ефекти загальної теорії відносності:
Відхилення закону тяжіння від Ньютонівського;
Запізнення потенціалів, пов'язане з кінцевою швидкістю розповсюдження гравітаційних збурень; поява гравітаційних хвиль;
Ефекти нелінійності: гравітаційні хвилі мають властивість взаємодіяти один з одним, тому принцип суперпозиції хвиль у сильних полях не виконується;
Зміна геометрії простору-часу;
Виникнення чорних дірок;
3.5. Сучасні класичні теорії гравітації
У зв'язку з тим, що квантові ефекти гравітації надзвичайно малі навіть у екстремальних експериментальних і спостережних умовах, досі не існує їх надійних спостережень. Теоретичні оцінки показують, що у переважній більшості випадків можна обмежитися класичним описом гравітаційної взаємодії.
Існує сучасна канонічна класична теорія гравітації - загальна теорія відносності, і безліч гіпотез і теорій різного ступеня розробленості, що уточнюють її, конкурують між собою (див. статтю Альтернативні теорії гравітації). Всі ці теорії дають дуже схожі передбачення у межах того наближення, у якому нині здійснюються експериментальні тести. Далі описані кілька основних, найбільш добре розроблених чи відомих теорій гравітації.
Теорія гравітації Ньютона заснована на понятті сили тяжіння, яка є далекою дією силою: вона діє миттєво на будь-якій відстані. Цей миттєвий характер дії несумісний з польовою парадигмою сучасної фізики і, зокрема, зі спеціальною теорією відносності, створеною в 1905 Ейнштейном, натхненним роботами Пуанкаре і Лоренца. Теоретично Ейнштейна ніяка інформація неспроможна поширитися швидше швидкості світла у вакуумі.
Математично сила гравітації Ньютона виводиться із потенційної енергії тіла у гравітаційному полі. Потенціал гравітації, відповідний цієї потенційної енергії, підпорядковується рівнянню Пуассона, яке інваріантно при перетвореннях Лоренца. Причина неінваріантності полягає в тому, що енергія у спеціальній теорії відносності не є скалярною величиною, а переходить у тимчасову компоненту 4-вектора. Векторна ж теорія гравітації виявляється аналогічною теорії електромагнітного поля Максвелла і призводить до негативної енергії гравітаційних хвиль, що пов'язано з характером взаємодії: однойменні заряди (маси) у гравітації притягуються, а не відштовхуються, як електромагнетизм. Таким чином, теорія гравітації Ньютона несумісна з фундаментальним принципом спеціальної теорії відносності - інваріантністю законів природи в будь-якій інерційній системі відліку, а пряме векторне узагальнення теорії Ньютона, вперше запропоноване Пуанкаре в 1905 році в його роботі "Про динаміку електрона", призводить до фізичної невдачі .
Ейнштейн почав пошук теорії гравітації, яка б сумісна з принципом інваріантності законів природи щодо будь-якої системи відліку. Результатом цього пошуку стала загальна теорія відносності, заснована на принципі тотожності гравітаційної та інертної маси.
Принцип рівності гравітаційної та інертної мас
У класичній механіці Ньютона існує два поняття маси: перше відноситься до другого закону Ньютона, а друге - до закону всесвітнього тяжіння. Перша маса – інертна (або інерційна) – є відношення негравітаційної сили, що діє на тіло, до його прискорення. Друга маса – гравітаційна (або, як її іноді називають, важка) – визначає силу тяжіння тіла іншими тілами та його власну силу тяжіння. Власне, ці дві маси вимірюються, як видно з опису, в різних експериментах, тому зовсім не повинні бути пропорційними один одному. Їх строга пропорційність дозволяє говорити про єдину масу тіла як у негравітаційних, так і в гравітаційних взаємодіях. Відповідним вибором одиниць можна зробити ці маси рівними одна одній.
Сам принцип було висунуто ще Ісааком Ньютоном, а рівність мас було перевірено їм експериментально з відносною точністю 10-3. Наприкінці ХІХ століття тонші експерименти провів Етвеш, довівши точність перевірки принципу до 10-9. Протягом XX століття експериментальна техніка дозволила підтвердити рівність мас із відносною точністю 10-12-10-13 (Брагінський, Дікке і т. д.).
Іноді принцип рівності гравітаційної та інертної мас називають слабким принципом еквівалентності. Альберт Ейнштейн поклав його основою загальної теорії відносності.
Принцип руху геодезичними лініями
Якщо гравітаційна маса точно дорівнює інерційної, то у виразі для прискорення тіла, на яке діють лише гравітаційні сили, обидві маси скорочуються. Тому прискорення тіла, а отже, і його траєкторія не залежить від маси та внутрішньої будови тіла. Якщо ж всі тіла в одній і тій точці простору отримують однакове прискорення, то це прискорення можна пов'язати не з властивостями тіл, а з властивостями самого простору в цій точці.
Таким чином, опис гравітаційної взаємодії між тілами можна звести до опису простору-часу, в якому рухаються тіла. Природно припустити, як і зробив Ейнштейн, що тіла рухаються по інерції, тобто отже їх прискорення у своїй системі відліку дорівнює нулю. Траєкторії тіл тоді будуть геодезичними лініями, теорія яких була розроблена математиками ще у XIX столітті.
Самі геодезичні лінії можна знайти, якщо задати в просторі-часі аналог відстані між двома подіями, який називається за традицією інтервалом або світовою функцією. Інтервал у тривимірному просторі та одновимірному часі (іншими словами, у чотиривимірному просторі-часі) задається 10 незалежними компонентами метричного тензора. Ці 10 чисел утворюють метрику простору. Вона визначає “відстань” між двома нескінченно близькими точками простору-часу у різних напрямках. Геодезичні лінії, що відповідають світовим лініям фізичних тіл, швидкість яких менша за швидкість світла, виявляються лініями найбільшого власного часу, тобто часу, що вимірюється годинами, жорстко скріпленими з тілом, що йде по цій траєкторії.
Сучасні експерименти підтверджують рух тіл геодезичними лініями з тією ж точністю, як і рівність гравітаційної та інертної мас.
Висновок
З законів Ньютона відразу ж випливають деякі цікаві висновки. Так, третій закон Ньютона каже, що, хоч би як тіла взаємодіяли, вони можуть змінити свій сумарний імпульс: виникає закон збереження імпульсу. Далі треба зажадати, щоб потенціал взаємодії двох тіл залежав тільки від модуля різниці координат цих тіл U(r1-r2). Тоді виникає закон збереження сумарної механічної енергії тіл, що взаємодіють:
Закони Ньютона є основними законами механіки. З них можуть бути виведені інші закони механіки.
У той же час, закони Ньютона - не найглибший рівень формулювання класичної механіки. У рамках лагранжової механіки є одна-єдина формула (запис механічної дії) і один-єдиний постулат (тіла рухаються так, щоб дія була мінімальною), і з цього можна вивести всі закони Ньютона. Більше того, в рамках лагранжевого формалізму можна легко розглянути гіпотетичні ситуації, в яких дія має якийсь інший вид. При цьому рівняння руху стануть уже несхожими на закони Ньютона, але сама класична механіка буде, як і раніше, застосовна.
Розв'язання рівнянь руху
Рівняння F = ma (тобто другий закон Ньютона) є диференціальним рівнянням: прискорення є другою похідною від координати за часом. Це означає, що еволюцію механічної системи у часі можна однозначно визначити, якщо задати її початкові координати та початкові швидкості. Зауважимо, що якби рівняння, що описують наш світ, були б рівняннями першого порядку, то з нашого світу зникли б такі явища як інерція, коливання, хвилі.
Вивчення фундаментальних законів фізики підтверджує, що наука поступово розвивається: кожен етап, кожен відкритий закон є етапом у розвитку, але не дає остаточних відповідей на всі питання.
Література:
Велика Радянська Енциклопедія (Ньютона Закони механіки та інших. статті), 1977, “Радянська Енциклопедія”
Онлайн-енциклопедія www.wikipedia.com
Федеральне агентство з освіти
ГОУ ВПО Рибінська державна авіаційна академія ім. П.А.Соловйова
Кафедра "Загальної та технічної фізики"
РЕФЕРАТ
З дисципліни "Концепції сучасного природознавства"Тема: "Фундаментальні закони фізики"
Група ЗКС-07
Студент Балшин О.М.Викладач: Василюк О.В.
Жодна сфера людської діяльності не обходиться без точних наук. І як би не були складними людські взаємини, вони теж зводяться до цих законів. пропонує згадати закони фізики, з якими людина стикається та переживає щодня свого життя.
Найпростіший, але найважливіший закон – це Закон збереження та перетворення енергії.
Енергія будь-якої замкнутої системи при всіх процесах, що відбуваються в системі, залишається постійною. А ми з Вами саме у такій замкнутій системі і знаходимося. Тобто. скільки віддамо, стільки й отримаємо. Якщо ми хочемо щось отримати, треба стільки перед тим віддати. І ніяк інакше!
А нам, звичайно ж, хочеться отримувати більшу зарплату, а на роботу при цьому не ходити. Іноді створюється ілюзія, що "дурням щастить" і багатьом щастя звалюється на голову. Вчитайтесь у будь-яку казку. Героям завжди треба долати величезні труднощі! То скупатися у воді холодця, то в окропі.
Чоловіки привертають увагу жінок залицяннями. Жінки у свою чергу піклуються потім про цих чоловіків та дітей. І так далі. Так що, якщо ви хочете щось отримати, постарайтеся спочатку віддати.
Сила дії дорівнює силі протидії.
Цей закон фізики відбиває попередній, у принципі. Якщо людина здійснила негативний вчинок – усвідомлений чи ні – та був отримав відповідь, тобто. протидія. Іноді причина та слідство бувають рознесені у часі, і можна одразу й не зрозуміти, звідки вітер дме. Потрібно, головне, пам'ятати, що нічого просто так не буває.
Закон важеля.
Архімед вигукнув: « Дайте мені точку опори, і я переверну Землю!». Будь-який тягар можна перенести, якщо підібрати правильний важіль. Потрібно завжди прикинути який довжини знадобиться важіль, щоб досягти тієї чи іншої мети і зробити для себе висновок, розставити пріоритети: чи потрібно витрачати стільки сил, щоб створити правильний важіль і пересунути цей тягар або простіше дати спокій і зайнятися іншою діяльністю.
Правило свердла.
Правило у тому, що свідчить про напрямок магнітного поля. Це правило відповідає на вічне запитання: хто винний? І вказує на те, що у всьому, що з нами відбувається, винні ми самі. Як би прикро не було, як би складно не було, як би, на перший погляд несправедливо не було, треба завжди усвідомлювати те, що причиною спочатку були ми самі.
Закон цвяха.
Коли людина хоче забити цвях, вона ж не стукає десь поруч із цвяхом, вона стукає саме по капелюшку цвяха. Але ж цвяхи самі не залазять у стіни. Потрібно завжди підбирати правильний молоток, щоб не розбити цвях кувалдою. І забиваючи, треба розраховувати удар, щоб не погнувся капелюшок. Будьте простіше, дбайте один про одного. Навчіться думати про ближнього.
І, насамкінець, закон Ентропії.
Під ентропією розуміють міру безладдя системи. Іншими словами, що більше хаосу в системі, то більша ентропія. Точне формулювання: при мимовільних процесах, які у системах, ентропія завжди зростає. Як правило, всі мимовільні процеси необоротні. Вони призводять до реальних змін у системі, і повернути її до початкового стану без витрати енергії неможливо. При цьому не можна точно повторити (на всі 100%) її вихідний стан.
Щоб краще усвідомити, про який порядок і безладдя йдеться, поставимо досвід. Насипаємо у скляну банку чорних та білих дробинок. Спочатку насипаємо чорних, потім білих. Дробинки розташовуватимуться у два шари: знизу чорний, зверху білий – все впорядковано. Потім кілька разів струсимо банку. Дробинки поступово перемішуються. І скільки б ми потім не трусили цю банку, нам навряд чи вдасться досягти, щоб дробинки знову розташувалися в два шари. Ось вона, ентропія у дії!
Стан, коли дробинки були розташовані у два шари, вважається впорядкованим. Стан, коли дробинки рівномірно перемішані, вважається безладним. Щоб повернутися в упорядкований стан, потрібне практично диво! Або повторна копітка робота з дробинками. А щоб навести хаос у банку, майже не потрібні зусилля.
Автомобільне колесо. Коли він накачений, у ньому надлишок вільної енергії. Колесо може їхати, отже, воно працює. Це порядок. А якщо проколоти колесо? Тиск у ньому впаде, вільна енергія «піде» в довкілля (розсіється), і працювати таке колесо вже не зможе. Це — хаос. Щоб відновити систему у вихідний стан, тобто. навести лад, потрібно провести чималу роботу: заклеїти камеру, змонтувати колесо, накачати його і т.д., після чого це знову потрібна річ, яка здатна приносити користь.
Тепло передається від гарячого тіла холодному, а чи не навпаки. Зворотний процес теоретично можливий, а практично ніхто не візьметься це робити, оскільки будуть потрібні колосальні зусилля, спеціальні установки та обладнання.
Також і у суспільстві. Люди старіють. Вдома руйнуються. Скелі осідають у морі. Галактики розбігаються. До безладдя мимоволі прагне будь-яка навколишня дійсність.
Однак люди часто говорять про безладдя як про свободу: « Ні, ми не хочемо порядку! Дайте нам таку свободу, щоб кожен міг робити те, що хоче!Але коли кожен робить, що хоче, це не свобода – це хаос. У наш час багато хто вихваляє безлад, пропагує анархію - словом, все те, що руйнує і поділяє. Але свобода – не в хаосі, свобода саме в порядку.
Упорядковуючи своє життя, людина створює собі запас вільної енергії, яку потім реалізує здійснення своїх планів: роботу, навчання, відпочинок, творчість, спорт тощо. - Іншими словами, протистоїть ентропії. Інакше як би ми змогли накопичити за останні 250 років стільки матеріальних цінностей?!
Ентропія – це міра безладдя, міра незворотного розсіювання енергії. Чим більша ентропія, тим більше безладдя. Будинок, у якому ніхто не живе, занепадає. Залізо з часом іржавіє, автомобіль старіє. Відносини, про збереження яких ніхто не дбає, руйнуються. Так і все інше в нашому житті абсолютно все!
Природний стан природи не рівновага, а зростання ентропії. Цей закон невблаганно працює і в житті однієї людини. Йому нічого не треба робити, щоб його ентропія зростала, це відбувається мимоволі за законом природи. Щоб знизити ентропію (безлад), треба докласти чимало зусиль. Це свого роду ляпас позитивним до дуру людям (під лежачий камінь та вода не тече), яких досить багато!
Підтримка успіху потребує постійних зусиль. Якщо ми не розвиваємось, то ми деградуємо. І щоб зберегти те, що в нас було раніше, ми маємо сьогодні зробити більше, ніж робили вчора. Речі можна утримувати в порядку і навіть покращити: якщо фарба на будинку вицвіла, його можна пофарбувати заново, причому ще красивіше, ніж раніше.
Люди повинні намагатися «утихомирити» довільну деструктивну поведінку, яка переважає в сучасному світі повсюдно, намагатися знизити стан хаосу, який ми й розігнали до грандіозних меж. І це фізичний закон, а не просто балаканина про депресію та негативне мислення. Все або розвивається, або деградує.
Живий організм народжується, розвивається і вмирає, і ніхто ніколи не спостерігав, щоб після смерті він оживав, молодшав і повертався у сім'ю чи утробу. Коли кажуть, що минуле ніколи не повертається, то, звичайно, мають на увазі насамперед ці життєві явища. Розвиток організмів задає позитивний напрямок стріли часу, і зміна одного стану системи іншим відбувається завжди в одному напрямку для всіх без винятку процесів.
Валеріан Чупін
Джерело інформації: Чайковські.
Коментарі (3)
Багатство сучасного суспільства приростає, і буде приростати все більшою мірою, насамперед загальною працею. Промисловий капітал став першою історичною формою громадського виробництва, коли інтенсивно почав експлуатуватися загальний працю. Причому спочатку той, який дістався йому задарма. Наука, як зазначив Маркс, нічого не коштувала капіталу. Справді, жоден капіталіст не заплатив винагороду ні Архімеду, ні Кардано, ні Галілею, ні Гюйгенсу, ні Ньютону за практичне використання їхніх ідей. Але саме промисловий капітал у масовому масштабі починає експлуатувати механічну техніку, а тим самим і загальну працю, уречевлену в ній. Маркс До, Енгельс Ф. Соч., Т. 25, ч. 1, с. 116.
Цікавитися навколишнім світом та закономірностями його функціонування та розвитку природно та правильно. Саме тому розумно звертати увагу на природничі науки, наприклад, фізику, яка пояснює саму сутність формування та розвитку Всесвіту. Основні фізичні закони неважко зрозуміти. Вже дуже юному віці школа знайомить дітей із цими принципами.
Для багатьох починається ця наука із підручника "Фізика (7 клас)". Основні поняття та термодинаміки відкриваються перед школярами, вони знайомляться з ядром основних фізичних закономірностей. Але чи має знання обмежуватися шкільною лавою? Які фізичні закони має знати кожна людина? Про це й йтиметься далі у статті.
Наука фізика
Багато нюансів описуваної науки знайомі всім з раннього дитинства. А пов'язано це з тим, що, по суті, фізика є однією з областей природознавства. Вона розповідає про закони природи, дія яких впливає на життя кожного, а багато в чому навіть забезпечує її, про особливості матерії, її структуру та закономірності руху.
Термін «фізика» був уперше зафіксований Аристотелем ще четвертому столітті до нашої ери. Спочатку він був синонімом поняття "філософія". Адже обидві науки мали єдину мету – правильним чином пояснити усі механізми функціонування Всесвіту. Але вже у шістнадцятому столітті внаслідок наукової революції фізика стала самостійною.
Загальний закон
Деякі основні закони фізики застосовують у різноманітних галузях науки. Крім них існують такі, які прийнято вважати загальними для всієї природи. Мова йде про
Він має на увазі, що енергія кожної замкнутої системи при протіканні в ній будь-яких явищ обов'язково зберігається. Проте вона здатна трансформуватися в іншу форму та ефективно змінювати свій кількісний зміст у різних частинах названої системи. Водночас у незамкненій системі енергія зменшується за умови збільшення енергії будь-яких тіл та полів, які вступають у взаємодію з нею.
Крім наведеного загального принципу, містить фізика основні поняття, формули, закони, які необхідні тлумачення процесів, які у навколишньому світі. Їхнє дослідження може стати неймовірно захоплюючим заняттям. Тому в цій статті будуть розглянуті основні закони фізики коротко, а щоб розібратися в них глибше, важливо надати їм повноцінної уваги.
Механіка
Відкривають юним вченим багато основних законів фізики 7-9 класи школи, де повніше вивчається така галузь науки, як механіка. Її базові засади описані нижче.
- Закон відносності Галілея (також його називають механічною закономірністю відносності або базисом класичної механіки). Суть принципу у тому, що за аналогічних умов механічні процеси у будь-яких інерційних системах відліку проходять цілком ідентично.
- Закон Гука. Його суть у тому, що чим більшим є вплив на пружне тіло (пружину, стрижень, консоль, балку) з боку, тим більшою є його деформація.
Закони Ньютона (є базис класичної механіки):
- Принцип інерції повідомляє, що будь-яке тіло здатне полягати у спокої чи рухатися рівномірно і прямолінійно лише тому випадку, якщо ніякі інші тіла жодним чином нього не впливають, або якщо вони якимось чином компенсують дію одне одного. Щоб змінити швидкість руху, на тіло необхідно впливати з будь-якою силою, і, звичайно, результат впливу однакової сили на різні за величиною тіла теж відрізнятиметься.
- Головна закономірність динаміки стверджує, що чим більша рівнодіюча сил, які зараз впливають на дане тіло, тим більше отримане ним прискорення. І, відповідно, що більша маса тіла, то цей показник менший.
- Третій закон Ньютона повідомляє, що будь-які два тіла завжди взаємодіють одне з одним за ідентичною схемою: їхні сили мають одну природу, є еквівалентними за величиною і обов'язково мають протилежний напрямок уздовж прямої, що з'єднує ці тіла.
- Принцип відносності стверджує, що це явища, які відбуваються за тих самих умов в інерційних системах відліку, проходять абсолютно ідентичним чином.
Термодинаміка
Шкільний підручник, який відкриває учням основні закони ("Фізика. 7 клас"), знайомить їх і з основами термодинаміки. Її принципи ми розглянемо далі.
Закони термодинаміки, є базовими у галузі науки, мають загальний характері і пов'язані з деталями будови конкретної речовини лише на рівні атомів. До речі, ці принципи важливі як для фізики, а й у хімії, біології, аерокосмічної техніки тощо.
Наприклад, у названій галузі існує правило, що не піддається логічному визначенню, що в замкнутій системі, зовнішні умови для якої незмінні, згодом встановлюється рівноважний стан. І процеси, що тривають у ній, незмінно компенсують один одного.
Ще одне правило термодинаміки підтверджує прагнення системи, що складається з колосального числа частинок, що характеризуються хаотичним рухом, до самостійного переходу з менш ймовірних для системи станів більш ймовірні.
А закон Гей-Люссака (його називають газовим законом) стверджує, що з газу певної маси за умов стабільного тиску результат розподілу його обсягу на абсолютну температуру неодмінно стає величиною постійної.
Ще одне важливе правило цієї галузі – перший закон термодинаміки, який також прийнято називати принципом збереження та перетворення енергії для термодинамічної системи. Згідно з ним, будь-яка кількість теплоти, яку було повідомлено системі, буде витрачено виключно на метаморфозу її внутрішньої енергії та здійснення нею роботи по відношенню до будь-яких діючих зовнішніх сил. Саме ця закономірність і стала базисом на формування схеми роботи теплових машин.
Інша газова закономірність – це закон Шарля. Він говорить, що чим більший тиск певної маси ідеального газу в умовах збереження постійного обсягу, тим більша його температура.
Електрика
Відкриває юним вченим цікаві основні закони фізики 10 класу школи. У цей час вивчаються основні принципи природи та закономірності впливу електричного струму, а також інші нюанси.
Закон Ампера, наприклад, стверджує, що провідники, з'єднані паралельно, якими тече струм у однаковому напрямі, неминуче притягуються, а разі протилежного напрями струму, відповідно, відштовхуються. Іноді таку ж назву використовують для фізичного закону, який визначає силу, що діє в існуючому магнітному полі на невелику ділянку провідника, який на даний момент проводить струм. Її так і називають – сила Ампера. Це відкриття було зроблено вченим у першій половині дев'ятнадцятого століття (а саме 1820 р.).
Закон збереження заряду одна із базових принципів природи. Він говорить, що сума алгебри всіх електричних зарядів, що виникають в будь-який електрично ізольованій системі, завжди зберігається (стає постійною). Незважаючи на це, названий принцип не виключає і виникнення у таких системах нових заряджених частинок внаслідок перебігу деяких процесів. Проте загальний електричний заряд всіх новостворених частинок неодмінно має дорівнювати нулю.
Закон Кулона є одним із основних в електростатиці. Він висловлює принцип сили взаємодії між нерухомими точковими зарядами та пояснює кількісне обчислення відстані між ними. Закон Кулона дозволяє обґрунтувати базові принципи електродинаміки експериментальним чином. Він говорить, що нерухомі точкові заряди неодмінно взаємодіють між собою з силою, яка тим вище, чим більший добуток їх величин і, відповідно, тим менше, чим менше квадрат відстані між зарядами, що розглядаються, і середовища, в якому і відбувається описувана взаємодія.
Закон Ома одна із базових принципів електрики. Він говорить, що чим більше сила постійного електричного струму, що діє на певній ділянці ланцюга, тим більша напруга на її кінцях.
Називають принцип, який дозволяє визначити напрямок у провіднику струму, що рухається в умовах впливу магнітного поля певним чином. Для цього необхідно розташувати кисть правої руки так, щоб лінії магнітної індукції образно торкалися розкритої долоні, а великий палець витягнути за напрямом руху провідника. У такому разі інші чотири випрямлені пальці визначать напрямок руху індукційного струму.
Також цей принцип допомагає з'ясувати точне розташування ліній магнітної індукції прямолінійного провідника, що проводить струм в даний момент. Це відбувається так: помістіть великий палець правої руки таким чином, щоб він вказував, а рештою чотирма пальцями образно обхопіть провідник. Розташування цих пальців продемонструє точний напрямок ліній магнітної індукції.
Принцип електромагнітної індукції є закономірністю, яка пояснює процес роботи трансформаторів, генераторів, електродвигунів. Цей закон полягає в наступному: в замкнутому контурі індукції, що генерується, тим більше, чим більше швидкість зміни магнітного потоку.
Оптика
Галузь "Оптика" також відбиває частину шкільної програми (основні закони фізики: 7-9 класи). Тому ці принципи не такі складні для розуміння, як може здатися на перший погляд. Їхнє вивчення приносить із собою не просто додаткові знання, але краще розуміння навколишньої дійсності. Основні закони фізики, які можна зарахувати до галузі вивчення оптики, такі:
- Принцип Ґюйнеса. Він є методом, який дозволяє ефективно визначити в кожну конкретну частку секунди точне положення фронту хвилі. Суть його полягає в наступному: всі точки, які опиняються на шляху біля фронту хвилі в певну частку секунди, по суті, самі по собі стають джерелами сферичних хвиль (вторинних), у той час як розміщення фронту хвилі в ту саму частку секунди є ідентичним поверхні , що огинає всі сферичні хвилі (вторинні). Цей принцип використовується з метою пояснення існуючих законів, пов'язаних із заломленням світла та його відображенням.
- Принцип Гюйгенса-Френеля відбиває ефективний метод вирішення питань, що з поширенням хвиль. Він допомагатиме пояснити елементарні завдання, пов'язані з дифракцією світла.
- хвиль. Застосовується однаково і для відображення у дзеркалі. Його суть полягає в тому, що як спадаючий промінь, так і той, який був відбитий, а також перпендикуляр, побудований з точки падіння променя, розташовуються в єдиній площині. Важливо також пам'ятати, що кут, під яким падає промінь, завжди абсолютно дорівнює куту заломлення.
- Принцип заломлення світла. Це зміна траєкторії руху електромагнітної хвилі (світла) в момент руху з одного однорідного середовища в інше, яке значно відрізняється від першої за рядом показників заломлення. Швидкість поширення світла у них різна.
- Закон прямолінійного поширення світла. За своєю суттю він є законом, що відноситься до галузі геометричної оптики, і полягає в наступному: у будь-якому однорідному середовищі (незалежно від її природи) світло поширюється строго прямолінійно, по найкоротшій відстані. Цей закон легко і доступно пояснює утворення тіні.
Атомна та ядерна фізика
Основні закони квантової фізики, а також основи атомної та ядерної фізики вивчаються у старших класах середньої школи та вищих навчальних закладах.
Так, постулати Бора є рядом базових гіпотез, які стали основою теорії. Її суть полягає в тому, що будь-яка атомна система може залишатися стійкою виключно у стаціонарних станах. Будь-яке випромінювання чи поглинання енергії атомом неодмінно відбувається з допомогою принципу, суть якого така: випромінювання, що з транспортацією, стає монохроматичним.
Ці постулати відносяться до стандартної шкільної програми, яка вивчає основні закони фізики (11 клас). Їхнє знання є обов'язковим для випускника.
Основні закони фізики, які має знати людина
Деякі фізичні принципи, хоч і відносяться до однієї з галузей цієї науки, проте мають загальний характер і мають бути відомі всім. Перерахуємо основні закони фізики, які має знати людина:
- Закон Архімеда (належить до областей гідро-, а також аеростатики). Він має на увазі, що на будь-яке тіло, яке було занурене в газоподібну речовину або рідину, діє свого роду виштовхувальна сила, яка неодмінно спрямована вертикально вгору. Ця сила завжди чисельно дорівнює вазі витісненої тілом рідини чи газу.
- Інше формулювання цього закону таке: тіло, занурене в газ чи рідину, неодмінно втрачає у вазі стільки ж, скільки склала маса рідини чи газу, у який воно було занурено. Цей закон став базовим постулатом теорії плавання тел.
- Закон всесвітнього тяжіння (відкритий Ньютоном). Його суть полягає в тому, що абсолютно всі тіла неминуче притягуються один до одного з силою, яка тим більша, чим більший добуток мас даних тіл і, тим менше, чим менше квадрат відстані між ними.
Це і є 3 основні закони фізики, які повинен знати кожен, хто бажає розібратися в механізмі функціонування навколишнього світу та особливостях перебігу процесів, що відбуваються в ньому. Зрозуміти принцип їхньої дії досить просто.
Цінність подібних знань
Основні закони фізики повинні бути в багажі знань людини, незалежно від її віку та роду діяльності. Вони відображають механізм існування всієї сьогоднішньої дійсності, і, по суті, є єдиною константою в світі, що безперервно змінюється.
Основні закони, поняття фізики відкривають нові можливості вивчення навколишнього світу. Їхнє знання допомагає розуміти механізм існування Всесвіту та руху всіх космічних тіл. Воно перетворює нас не на просто виглядачів щоденних подій та процесів, а дозволяє усвідомлювати їх. Коли людина ясно розуміє основні закони фізики, тобто всі процеси, що відбуваються навколо нього, він отримує можливість управляти ними найбільш ефективним чином, здійснюючи відкриття і роблячи тим самим своє життя більш комфортним.
Підсумки
Деякі змушені поглиблено вивчати основні закони фізики для ЄДІ, інші – за діяльністю, а деякі – з наукової цікавості. Незалежно від цілей вивчення цієї науки, користь отриманих знань важко переоцінити. Немає нічого більш задовольняючого, ніж розуміння основних механізмів та закономірностей існування навколишнього світу.
Не залишайтеся байдужими – розвивайтеся!
Сесія наближається, і час нам переходити від теорії до практики. На вихідних ми сіли і подумали, що багатьом студентам було б непогано мати під рукою добірку основних фізичних формул. Сухі формули з поясненням: стисло, лаконічно, нічого зайвого. Дуже корисна штука під час вирішення завдань, чи знаєте. Та й на іспиті, коли з голови може «вискочити» саме те, що напередодні було найжорстокіше визубрене, така добірка буде чудовою службою.
Найбільше завдань зазвичай задають за трьома найпопулярнішими розділами фізики. Це механіка, термодинамікаі молекулярна фізика, електрика. Їх і візьмемо!
Основні формули з фізики динаміка, кінематика, статика
Почнемо з найпростішого. Старий-добрий улюблений прямолінійний і рівномірний рух.
Формули кінематики:
Звичайно, не забуватимемо про рух по колу, а потім перейдемо до динаміки та законів Ньютона.
Після динаміки саме час розглянути умови рівноваги тіл і рідин, тобто. статику та гідростатику
Тепер наведемо основні формули на тему «Робота та енергія». Куди ж нам без них!
Основні формули молекулярної фізики та термодинаміки
Закінчимо розділ механіки формулами з коливань і хвиль і перейдемо до молекулярної фізики та термодинаміки.
Коефіцієнт корисної дії, закон Гей-Люссака, рівняння Клапейрона-Менделєєва - всі ці милі серцю формули зібрані нижче.
До речі! Для всіх наших читачів зараз діє знижка 10% на .
Основні формули з фізики: електрика
Час переходити до електрики, хоч його і люблять менше термодинаміки. Починаємо з електростатики.
І, під барабанний дріб, закінчуємо формулами для закону Ома, електромагнітної індукції та електромагнітних коливань.
На цьому все. Звичайно, можна було б привести ще цілу гору формул, але це ні до чого. Коли формул стає занадто багато, можна легко заплутатися, а там і зовсім розплавити мозок. Сподіваємося, наша шпаргалка основних формул з фізики допоможе вирішувати улюблені завдання швидше та ефективніше. А якщо хочете уточнити щось чи не знайшли потрібної формули: запитайте експертів студентського сервісу. Наші автори пам'ятають сотні формул і клацають завдання, як горішки. Звертайтеся, і незабаром будь-яке завдання буде вам «по зубах».
10.2. ФУНДАМЕНТАЛЬНІ ФІЗИЧНІ ЗАКОНИ
Фундаментальні фізичні закони - це найбільш повне на сьогоднішній день, але наближене відображення об'єктивних процесів у природі. Різні форми руху матерії описуються різними фундаментальними теоріями. Кожна з цих теорій описує цілком певні явища: механічний чи тепловий рух, електромагнітні явища.
Існують найбільш загальні закони у структурі фундаментальних фізичних теорій, що охоплюють усі форми руху матерії та всі процеси. Це закони симетрії, або інваріантності, та пов'язані з ними закони збереження фізичних величин.
10.2.1. Закони збереження фізичних величин
10.2.1.1. Закон збереження маси
10.2.1.2. Закон збереження імпульсу
10.2.1.3. Закон збереження заряду
10.2.1.4. Закон збереження енергії у механічних процесах
10.2.1. Закони збереження фізичних величин
Закони збереження фізичних величин - це твердження, згідно з якими чисельні значення цих величин не змінюються згодом у будь-яких процесах чи класах процесів. Фактично у багатьох випадках закони збереження просто випливають із принципів симетрії.
Ідея збереження з'явилася спочатку як суто філософська здогад про наявність постійного (стабільного) у вічно змінюваному світі. Ще античні філософи-матеріалісти прийшли до поняття матерії як незнищенної та нестворної основи всього сущого. З іншого боку, спостереження постійних змін у природі призводило до уявлення про вічний рух матерії як важливу її властивість. З появою математичного формулювання механіки цій основі з'явилися закони збереження.
Закони збереження тісно пов'язані із властивостями симетрії фізичних систем. При цьому симетрія розуміється як інваріантність фізичних законів щодо певної групи перетворень величин, що входять до них. Наявність симетрії призводить до того, що для даної системи існує фізична величина, що зберігається. Якщо відомі властивості симетрії системи, зазвичай, можна знайти нею закон збереження і навпаки.
Таким чином, закони збереження:
1. Представляють найбільш загальну форму детермінізму.
2. Підтверджують структурну єдність матеріального світу.
3. Дозволяють зробити висновок характер поведінки системи.
4. Виявляють існування глибокого зв'язку між різноманітними формами руху матерії.
Найважливішими законами збереження, справедливими для будь-яких ізольованих систем, є:
- закон збереження та перетворення енергії;
- Закон збереження імпульсу;
- Закон збереження електричного заряду;
- Закон збереження маси.
Крім загальних існують закони збереження, справедливі лише обмеженого класу систем і явищ. Так, наприклад, існують закони збереження, що діють лише в мікросвіті. Це:
- закон збереження баріонного чи ядерного заряду;
- Закон збереження лептонного заряду;
- Закон збереження ізотопічного спина;
- Закон збереження дива.
У сучасній фізиці виявлено певну ієрархію законів збереження та принципів симетрії. Одні з цих принципів виконуються за будь-яких взаємодій, інші ж — лише за сильних. Ця ієрархія виразно проявляється у внутрішніх принципах симетрії, що діють у мікросвіті.
Розглянемо найважливіші закони збереження.
10.2.1.1. Закон збереження маси
Нескінченно різноманітні перетворення, зміни речовини у природі. Дослідників хвилювало питання: чи зберігається речовина за цих змін? Кожному з нас доводилося спостерігати, як з часом зношується, зменшується у розмірах будь-яка річ, навіть залізна. Але чи означає це, що найдрібніші частинки металу зникають безвісти? Ні, вони тільки губляться, розлітаються в різні боки, викидаються зі сміттям, відлітають, створюючи пил.
У природі відбуваються й інші перетворення. Ви, наприклад, палите цигарку. Проходить кілька хвилин - і від тютюну нічого не залишається, крім маленької купки попелу і легкого блакитного диму, що розвіявся в повітрі. Або, наприклад, горить свічка. Поступово вона стає дедалі менше. Тут не залишається навіть попелу. Згоряючи без залишку, свічка і те, з чого вона складається, зазнають хімічного перетворення речовини. Частинки тютюну та свічка не розлітаються убік, не втрачаються поступово у різних місцях. Вони згоряють і зовні зникають безвісти.
Спостерігаючи природу, люди давно звернули увагу і інші явища, коли речовина хіба що виникає з “нічого”. Так, наприклад, з маленького насіння виростає в квітковому горщику велика рослина, а вага землі, що міститься в горщику, залишається майже колишньою. Чи може насправді щось існуюче у світі зникнути чи навпаки з'явитися з нічого? Іншими словами — знищена чи незнищенна матерія, з якої будується все різноманіття нашого світу?
За 2400 років до зв. е. знаменитий філософ Стародавню Грецію Демокріт писав, що: “З нічого ніщо статися неспроможна, ніщо існуюче може бути знищено”.
Значно пізніше, у XVI-XVII ст. ця думка відродилася і висловлювалася вже багатьма вченими. Однак такі висловлювання були лише здогадом, а не науковою теорією, підтвердженою дослідами. Вперше довів і підтвердив це становище досвідом великий російський учений М.В. Ломоносів.
Ломоносов був твердо переконаний у незнищеності матерії, у цьому, що у світі ніщо неспроможна зникнути безслідно. За будь-яких змін речовин, хімічних взаємодій — чи з'єднуються прості тіла, утворюючи складні, або, навпаки, складні тіла розкладаються на окремі хімічні елементи — загальна кількість речовини залишається незмінною. Іншими словами, при всіх змінах повинна залишатися незмінною загальна вага речовини. Нехай в результаті будь-якої реакції зникають дві взаємодіючі речовини і виходить невідома третя - вага з'єднання, що знову утворився, повинен дорівнювати вазі перших двох.
Прекрасно розуміючи значення законів збереження, незнищеності матерії на науку, Ломоносов шукав підтвердження своїх думок. Він вирішив повторити досліди англійського вченого XVII ст. Р. Бойля.
Бойль цікавився питаннями зміни ваги металу під час нагрівання. Він поставив такий досвід: у скляну реторту помістив шматочок металу та зважив її.
Потім, запаявши вузьку шийку судини, нагрів її на вогні. Через дві години Бойль зняв посудину з полум'я, обломив шийку реторти і, охолодивши її, зважив. Метал збільшився у вазі.
Причину Бойль бачив у тому, що крізь скло в посудину проникають дрібні частки “матерії вогню” і з'єднуються з металом. У часи Бойля і Ломоносова незрозумілі явища природи вчені пояснювали за допомогою різних невловимих "матерій", але що вони являють собою - сказати не могли. Ломоносов ж визнавав існування таємничих “матерій”. Він був упевнений, що причина збільшення ваги полягає в іншому, і вирішив довести, що немає ніякої "тонкої всепроникної матерії вогню", а також що при хімічних перетвореннях загальна вага речовини елементів, що беруть участь у реакції, залишається незмінною.
Ломоносов повторив досвід Бойля і отримав той самий результат: вага металу збільшилася. Потім він видозмінив досвід: після нагрівання реторти на вогні та охолодження її зважує судина, не відламуючи шийку. Так він довів, що “без припущення зовнішнього повітря вага спаленого металу залишиться однією мірою, ніякої матерії вогню в реторту не проникає”.
Збільшення ваги у разі, коли реторта перед зважуванням розкривалася, Ломоносов пояснював залежністю від поглинання повітря металом. Тепер знаємо, що з нагріванні метали окислюються, з'єднуються з киснем. У досвіді Бойля метал бере кисень із повітря, що у закритій реторті. При цьому його вага збільшується настільки, наскільки зменшується вага повітря в реторті. Завдяки цьому загальна вага закритої реторти та вміщеного в ній тіла не змінюється. Хоча тут і відбувається окислення, загальна кількість речовини не зменшується і не прибуває — вага речовин, що беруть участь у реакції, не змінюється. Але при відкритті реторти на місце кисню повітря, яке було поглинене металом, усередину колби увірветься зовнішнє повітря, внаслідок чого вага реторти збільшиться.
Так М.В. Ломоносов відкрив закон збереження речовини, чи, як його називають, закон збереження маси. Через 17 років після Ломоносова цей закон підтвердив численними дослідами французький хімік А. Лавуазьє. Надалі закон збереження маси неодноразово підтверджувався численними та різноманітними дослідами. Нині він одна із основних законів, які у основі наук про природу.
10.2.1.2. Закон збереження імпульсу
Спокій та рухи тіла відносні, швидкість руху залежить від вибору системи відліку. По другому закону Ньютона, незалежно від цього, перебувало тіло у спокої, чи рухалося рівномірно і прямолінійно, зміна його швидкості руху може відбуватися лише під впливом сили, тобто. внаслідок взаємодії з іншими тілами.
Є фізична величина, що однаково змінюється у всіх тіл під дією однакових сил, якщо час дії сили однаковий, дорівнює добутку маси тіла на його швидкість і називається імпульсом тіла. Зміна імпульсу дорівнює імпульсу прикладеної сили. Імпульс тіла є кількісною характеристикою поступального руху тіл.
Експериментальні дослідження взаємодій різних тіл — від планет і зірок до атомів і електронів, елементарних частинок — показали, що в будь-якій системі тіл, що взаємодіють між собою, за відсутності дії сил з боку інших тіл, що не входять до системи, або рівності нулю суми діючих сил геометрична сума імпульсів тіл залишається незмінною.
Система тіл, які не взаємодіють з іншими тілами, що не входять до цієї системи, називається замкнутою. Таким чином, у замкнутій системі геометрична сума імпульсів тіл залишається постійною за будь-яких взаємодій тіл цієї системи між собою. Цей фундаментальний закон природи називається законом збереження імпульсу.
Необхідною умовою застосування закону збереження імпульсу до системи взаємодіючих тіл є використання інерційної системи відліку. На законі збереження імпульсу заснований реактивний рух, його використовують для розрахунку спрямованих вибухів, наприклад, при прокладанні тунелів у горах. Польоти в космос стали можливими завдяки використанню багатоступінчастих ракет.
10.2.1.3. Закон збереження заряду
Не всі явища природи можна зрозуміти та пояснити на основі використання понять та законів механіки, молекулярно-кінетичної теорії будови речовини, термодинаміки. Ці науки нічого не говорять про природу сил, які пов'язують окремі атоми та молекули, утримують атоми та молекули речовини у твердому стані на певній відстані один від одного. Закони взаємодії атомів і молекул вдається зрозуміти та пояснити на основі уявлень про те, що у природі існують електричні заряди.
Найпростіше і повсякденне явище, у якому виявляється факт існування у природі електричних зарядів, — це електризація тіл у дотику. Взаємодія тіл, що виявляється при електризації, називається електромагнітною взаємодією, а фізична величина, що визначає електромагнітну взаємодію, - електричним зарядом. Здатність електричних зарядів притягуватися та відштовхуватися свідчить про наявність двох різних видів зарядів: позитивних та негативних.
Електричні заряди можуть з'являтися у результаті електризації при зіткненні тіл, а й інших взаємодіях, наприклад, під впливом сили (пьезоэффект). Але завжди в замкнутій системі, в яку не входять заряди, за будь-яких взаємодій тіл алгебраїчна (тобто з урахуванням знака) сума електричних зарядів усіх тіл залишається постійною. Цей експериментально встановлений факт називається законом збереження електричного заряду.
Ніде і ніколи в природі не з'являються і не зникають електричні заряди одного знака. Поява позитивного заряду завжди супроводжується появою рівного за абсолютним значенням, але протилежного за знаком негативного заряду. Ні позитивний, ні негативний заряди що неспроможні зникнути окремо друг від друга, якщо рівні за абсолютним значенням.
Поява та зникнення електричних зарядів на тілах здебільшого пояснюється переходами елементарних заряджених частинок - електронів - від одних тіл до інших. Як відомо, до складу будь-якого атома входять позитивно заряджені ядро та негативно заряджені електрони. У нейтральному атомі сумарний заряд електронів точно дорівнює заряду атомного ядра. Тіло, що складається з нейтральних атомів та молекул, має сумарний електричний заряд, що дорівнює нулю.
Якщо внаслідок будь-якої взаємодії частина електронів переходить від одного тіла до іншого, то одне тіло одержує негативний електричний заряд, а друге — рівний за модулем позитивний заряд. При дотику двох різноіменно заряджених тіл зазвичай електричні заряди не зникають безвісти, а надмірна кількість електронів переходить з негативно зарядженого тіла до тіла, у якого частина атомів мала не повний комплект електронів на своїх оболонках.
Особливий випадок є зустріч елементарних заряджених античастинок, наприклад, електрона і позитрона. У цьому випадку позитивний і негативний електричні заряди дійсно зникають, анігілюють, але в повній відповідності до закону збереження електричного заряду, оскільки сума алгебри зарядів електрона і позитрона дорівнює нулю.
10.2.1.4. Закон збереження енергії у механічних процесах
Механічна енергія поділяється на два види: потенційну та кінетичну. Потенційна енергія характеризує ті тіла, що взаємодіють, а кінетична — рухомі. І потенційна і кінетична енергії змінюються тільки в результаті такої взаємодії тіл, при якому сили, що діють на тіла, здійснюють роботу, відмінну від нуля.
Розглянемо тепер питання про зміну енергії при взаємодії тіл, що утворюють замкнуту систему. Якщо кілька тіл взаємодіють між собою лише силами тяжіння і силами пружності і ніякі зовнішні сили не діють, то за будь-яких взаємодій тіл сума кінетичної та потенційної енергій тіл залишається постійною. Це твердження називається законом збереження енергії у механічних процесах.
Сума кінетичної та потенційної енергій тіл називається повною механічною енергією. Тому закон збереження енергії можна сформулювати так: повна механічна енергія замкнутої системи тіл, що взаємодіють силами тяжіння та пружності, залишається постійною.
Основний зміст закону збереження енергії полягає не лише у встановленні факту збереження повної механічної енергії, а й у встановленні можливості взаємних перетворень кінетичної та потенційної енергії в рівній кількісній мірі при взаємодії тіл.
Закон збереження повної механічної енергії в процесах за участю сил пружності та гравітаційних сил є одним із основних законів механіки. Знання цього закону спрощує вирішення багатьох завдань, що мають велике значення у практичному житті.
Наприклад, отримання електроенергії широко використовується енергія річок. З цією метою будують греблі, перегороджують річки. Під дією сил тяжіння вода з водосховища за греблею рухається вниз по колодязі прискорено і набуває деяку кінетичну енергію. При зіткненні потоку води, що швидко рухається, з лопатками гідравлічної турбіни відбувається перетворення кінетичної енергії поступального руху води в кінетичну енергію обертального руху роторів турбіни, а потім за допомогою електричного генератора — в електричну енергію.
Механічна енергія не зберігається, якщо між тілами діють сили тертя. Автомобіль, що рухався горизонтальною ділянкою дороги після вимкнення двигуна, проходить деякий шлях і під дією сил тертя зупиняється. Під час гальмування автомобіля відбулося нагрівання гальмівних колодок, шин автомобіля та асфальту. Внаслідок дії сил тертя кінетична енергія автомобіля не зникла, а перетворилася на внутрішню енергію теплового руху молекул.
Таким чином, за будь-яких фізичних взаємодій енергія не виникає, а тільки перетворюється з однієї форми в іншу. Цей експериментально встановлений факт називається законом збереження та перетворення енергії.
Джерела енергії землі великі і різноманітні. Колись у давнину люди знали лише одне джерело енергії — м'язову силу та силу домашніх тварин. Енергія відновлювалася за рахунок їжі. Тепер більшу частину роботи роблять машини, джерелом енергії для них є різні види викопного палива: кам'яне вугілля, торф, нафта, а також енергія води та вітру.
Якщо простежити “родовід” всіх цих різноманітних видів енергії, то виявиться, що вони є енергією сонячних променів. Енергія навколишнього космічного простору акумулюється Сонцем у вигляді енергії атомних ядер, хімічних елементів, електромагнітних і гравітаційних полів. Сонце, своєю чергою, забезпечує Землю енергією, що проявляється як енергії вітру і хвиль, припливів і відливів, у вигляді геомагнетизму, різного виду випромінювань (зокрема і радіоактивності надр тощо.), м'язової енергії тваринного світу.
Геофізична енергія вивільняється у вигляді природних стихійних явищ (вулканізм, землетруси, грози, цунамі і т.д.), обміну речовин у живих організмах (складових основу життя), корисної роботи з переміщення тіл, зміни їх структури, якості, передачі інформації, запасіння енергії в різноманітних акумуляторах, конденсаторах, в пружній деформації пружин, мембран.
Будь-які форми енергії, перетворюючись одна на одну за допомогою механічного руху, хімічних реакцій та електромагнітних випромінювань, зрештою переходять у тепло і розсіюються в навколишній простір. Це виявляється у вигляді вибухових процесів, горіння, гниття, плавлення, випаровування, деформації, радіоактивного розпаду. Відбувається кругообіг енергії в природі, що характеризується тим, що в космічному просторі реалізується не лише хаотизація, а й зворотний процес — упорядкування структури, які наочно простежуються насамперед у зіркоутворенні, трансформації та виникненні нових електромагнітних та гравітаційних полів, і вони знову несуть свою енергію. новим “сонячним системам”. І все повертається на свої кола.
Закон збереження механічної енергії було сформульовано німецьким ученим А. Лейбніцем. Потім німецький вчений Ю.Р. Майєр, англійський фізик Дж. Джоуль та німецький вчений Г. Гельмгольц експериментально відкрили закони збереження енергії у немеханічних явищах.
Таким чином, до середини ХІХ ст. оформилися закони збереження маси та енергії, які трактувалися як закони збереження матерії та руху. На початку XX ст. обидва ці закони збереження зазнали корінного перегляду у зв'язку з появою спеціальної теорії відносності: при описі рухів зі швидкостями, близькими до швидкості світла, класична механіка ньютонівська була замінена релятивістською механікою. Виявилося, що маса, яка визначається за інерційними властивостями тіла, залежить від його швидкості і, отже, характеризує як кількість матерії, а й її рух. Поняття енергії теж зазнало зміни: повна енергія виявилася пропорційною масі (Е = mс2). Таким чином, закон збереження енергії у спеціальній теорії відносності природно об'єднав закони збереження маси та енергії, що існували в класичній механіці. Окремо ці закони не виконуються, тобто. неможливо охарактеризувати кількість матерії, не беручи до уваги її рух та взаємодію.
Еволюція закону збереження енергії показує, що закони збереження, будучи почерпнутими з досвіду, потребують іноді експериментальної перевірки та уточнення. Не можна бути впевненим, що з розширенням меж людського пізнання цей закон або його конкретне формулювання залишаться справедливими. Закон збереження енергії, дедалі більше уточнюючись, поступово перетворюється з невизначеного та абстрактного висловлювання на точну кількісну форму.
10.2.1.5. Закони збереження у мікросвіті
Велику роль закони збереження грають у квантовій теорії, зокрема у фізиці елементарних частинок. Закони збереження визначають правила відбору, порушення яких призвело до порушення законів збереження. На додаток до перерахованих законів збереження, що мають місце у фізиці макроскопічних тіл, у теорії елементарних частинок виникло багато специфічних законів збереження, що дозволяють інтерпретувати правила відбору, що спостерігаються на досвіді. Такий, наприклад, закон збереження баріонного чи ядерного заряду, що виконується за всіх видів взаємодій. Згідно з ним, ядерна речовина зберігається: різниця між числом важких частинок (баріонів) і числом їх античастинок не змінюється за будь-яких процесів. Легкі елементарні частинки – лептони (електрони, нейтрино тощо) також зберігаються.
Існують і наближені закони збереження, що виконуються в одних процесах та порушуються в інших. Такі закони збереження мають сенс, якщо можна вказати клас процесів, у яких виконуються. Наприклад, закони збереження дивності, ізотопічного спина, парності суворо виконуються у процесах, що протікають за рахунок сильної взаємодії, але порушуються у процесах слабкої взаємодії. Електромагнітна взаємодія порушує закон збереження ізотопічного спину. Таким чином, дослідження елементарних частинок знову нагадали про необхідність перевіряти існуючі закони збереження у кожній галузі явищ. Проводяться складні експерименти, які мають на меті виявити можливі слабкі порушення законів збереження у мікросвіті.
Перевірка механічних законів збереження є перевіркою відповідних фундаментальних властивостей простору — часу. Довгий час вважали, що крім перерахованих елементів симетрії (збереження енергії пов'язані з однорідністю часу, збереження імпульсу — з однорідністю простору), простір — час має дзеркальну симетрію, тобто. інваріантністю щодо просторової інверсії. Тоді мала б зберігатися парність. Однак у 1857 р. було експериментально виявлено незбереження парності у слабкій взаємодії, що поставило питання перегляд поглядів на симетрію простору — часу і фундаментальних законів збереження (зокрема, на закони збереження енергії та імпульсу).