Фундаментальні взаємодії в природі

Структура Всесвіту

Масштабна структура Всесвіту складається з порожнеч (войдів) і ниток галактик (філаментів), які можуть бути розбиті на суперскупчення, скупчення, групи галактик і згодом на галактики

Всесвіт складається з дрібних порошин і атомів, величезних скупчень речовини і зоряних світів і систем. Існує наукова дисципліна, що являє собою вчення про загальні закономірності будови Всесвіту, і називається вона космологією

Структурні рівні Всесвіту

Наведіть приклади:

1. мікросвіту

2. макросвіту

3. мегасвіту

Астрономічну одиницю здебільшого застосовують для вимірювання відстаней між об’єктами Сонячної системи, для вираження довжин кометних хвостів та відстані між компонентами подвійних зір.

XXVIII Генеральна асамблея МАС рекомендувала перевизначити астрономічну одиницю. Тепер астрономічна одиниця дорівнює 149 597 870 700 м (точно), позначається а.о., тобто:

1 а.о. = 149 597 870 700 м

Зв'язок астрономічної одиниці з іншими одиницями довжини:

• 1 світлова секунда ≈ 0,002 а. о.

• 1 світлова хвилина ≈ 0,120 а. о.

• 1 світлова година ≈ 7,214 а. о.

• 1 світлова доба ≈ 173 а. о.

• 1 світловий рік ≈ 63 241 а. о.

• 1 парсек ≈ 206 265 а. о.

  Завдання:

• Одна комета знаходиться від Сонця на відстані 0,7 а.о., а друга -3 а.о. Виразіть відстані у метрах.

Чому фізичні закони та теорії мають межі застосування?

Для створення теорії науковці використовують фізичну модель процесу. Однак знання про цей процес обмежуються лише певними фактами. З часом кількість фактів збільшується і вони вже не можуть вкладатися в ту саму теорію. Значить, кожна фізична теорія має свої межі застосування.

Усі фізичні явища та існування об’єктів Всесвіту можна пояснити на основі чотирьох видів взаємодій:

1. гравітаційної (утворення та існування планет, зіркових планетних систем, галактик тощо),

2. електромагнітної (утворення та існування атомів, молекул, фізичних тіл,

   утворення радіосигналів, нервових імпульсів тощо),

3. сильної («відповідає» за стійкість атомних ядер),

4. слабкої (світіння зір).

Завдання: вкажіть види взаємодії сил

1. завдяки якій взаємодії утримуються нуклони в ядрі?

2. електрони в атомі?

3. атоми в молекулі?

4. молекули в речовині?

5. людина біля планети?

6. планета біля Сонця?

Фундаментальні закони

є досить абстрактними формулюваннями, що не є наслідком експериментів. Зазвичай фундаментальні закони «вгадуються», а не виводяться з емпіричних.

Обмеженість застосування фундаментальних законів природно приводить до питання про існування ще більш загальних законів. Такими є закони збереження. Наявний досвід розвитку природознавства показує, що закони збереження не втрачають свого сенсу при заміні однієї системи фундаментальних законів іншою. У більшості випадків закони збереження не здатні дати такого повного опису явищ, яке дають фундаментальні закони, а лише накладають певні заборони на реалізацію тих чи інших станів при еволюції системи.

Ми вже говорили, що перший закон Ньютона виконується тільки в інерціальних системах відліку. Другий закон також виконується лише в інерціальних системах. Третій закон виконується і в неінерціальних системах, але не завжди. Він не виконується для так званих сил інерції. Отже, першим обмеженням законів Ньютона є те, що вони виконуються тільки в інерціальних системах відліку.

Механіка Ньютона є механікою малих швидкостей (порівняно зі швидкістю поширення світла).

Виявилося, що рух у мікросвіті (світі молекул, атомів і елементарних частинок) підпорядковується іншим законам. Тому механіка Ньютона незастосовна до мікросвіту, вона є механікою великих тіл (звичайно, порівнянних з розмірами молекул).

Отже, класична механіка Галілея-Ньютона виконується лише в інерціальних системах для великих тіл, які рухаються з малими швидкостями, а тому вважати її універсальною не можна. Це потрібно пам’ятати під час розв’язування практичних задач.

Кожен фізичний закон має свої межі застосування. Це, у першу чергу, стосується закону збереження механічної енергії. Перше важливе обмеження цього закону - система розглядуваних тіл має бути ізольована від зовнішніх впливів. Таку систему називають замкнутою. Друге обмеження пов’язане з тим, що не завжди робота однозначно визначається зміною потенціальної енергії тіла під час переміщення його з однієї точки поля в іншу. Однозначне визначення роботи як міри зміни потенціальної енергії має місце лише для певних типів полів, які називають потенціальними. Прикладами таких полів є гравітаційне або електростатичне поле. Потенціальними вважаються поля, робота сил яких не залежить від траєкторії руху тіла в полі. Відповідно, сили цих полів називають консервативними. Якщо робота сил залежить від форми шляху або сили залежать від швидкості руху, то механічна енергія системи не зберігається. Наприклад, сили тертя, які не є консервативними, присутні в усіх випадках. Отже, закон збереження механічної енергії справджується лише для ідеалізованих ситуацій.

Вивчаючи закон Гука, слід пам’ятати, що він має певні межі застосування або межі, у яких він справджується, а саме «межу пружності».

Закон Ома також має межі застосування, хоча й досить широкі - аж до надвичайно малих струмів. Закон Ома не справджується у тих випадках, коли струм дуже слабкий (або дуже великий) і починають виявлятися флуктуації числа носіїв струму - електронів у металі. Тоді закон, що має принципово статистичний характер, не виконується.

Закони прямолінійного поширення світла, відбивання і заломлення справджуються лише за певних умов, коли довжина світлових хвиль на багато менша за розміри отворів і екранів, з якими взаємодіє світло під час свого поширення.

Дайте відповіді на питання:

1. Чому вводять поняття «межі застосування» закону або теорії?

2. Наведіть приклади законів, які мають певні межі.

Фундаментальний характер законів збереження в природі

Закон збереження маси й енергії. Тривалий час маса й енергія розглядались як окремі, не пов’язані між собою величини. Обидві вони підкоряються законам збереження, але нарізно: є закон збереження маси й окремо — закон збереження енергії.

Закон збереження і перетворення енергії був відкритий у 1840 р. Робертом Майером на основі медико-біологічних досліджень. Він довів це за допомогою ряду експериментів.

Енергія замкненої системи ніколи не зникає й не створюється з нічого. За всіх явищ усередині системи вона лише перетворюється з одного виду в інший або передається від одного тіла до іншого, не змінюючись кількісно.

Закон збереження маси, який свідчить, що сума мас усіх речовин, які вступають у хімічну реакцію, чисельно дорівнює масі речовин, які є продуктами реакції, встановили та експериментально довели незалежно один від одного Михайло Ломоносов та Антуан Лавуазье. Такий висновок на той час не був просто очевидним. Річ у тім, що досліди, які проводилися ще до Ломоносова, ґрунтувалися на спалюванні речовин. Нагрівання ртуті на повітрі давало червону окалину, і її маса була більшою, ніж маса металу, що вступає в реакцію. Із золою, що з’являється після згорання деревини, результат був протилежний, маса продукту завжди виявлялася меншою, ніж маса речовини до здійснення реакції. Заслуга вчених полягала в тому, що вони зуміли проаналізувати наявні умови, висунути гіпотезу, експериментально її перевірити й переконатися, що закон збереження маси виконується із замкненою системою (мал. 244). Після успішно проведеної реакції горіння вага посудини залишалася незмінною. І тільки коли посудину розбивали і всередину спрямовувалося повітря, спостерігалася зміна маси посудини.

Мал. 244. Дослід з перевірки закону збереження маси

Закон збереження маси став першим внеском у пізнанні більш глобальної природної закономірності. Подальші дослідження в цьому напрямі дозволили виявити, що в замкнених системах відбувається не тільки збереження мас. Енергія ізольованої системи теж є величиною постійною. Будь-який процес, що відбувається в ізольованій системі, не виробляє й не знищує ані масу, ані енергію.

Існування двох законів збереження було незаперечним аж до 1905 р. Річ у тім, що Ейнштейн своєю теорією відносності показав, що класична фізика, яка добре описує фізичні процеси, що відбуваються в повсякденному житті людини, не в змозі пояснити в цілому всі процеси, що відбуваються і в мікро-, і в макро-, і в мегасвітах. Класична механіка Ньютона і класична електродинаміка Максвела не застосовні до процесів, що відбуваються в мікросвіті (для пояснення ядерних реакцій, взаємодії елементарних частинок тощо) і для тіл, швидкість руху яких наближається до швидкості світла.

Дати відповіді на питання:

1. Хто і в якому році відкрив закон збереження і перетворення енергії?

2. Про що свідчить закон збереження маси, який встановили та експериментально довели незалежно один від одного Михайло Ломоносов та Антуан Лавуазье?

Закони збереження у фізиці. Які ще закони збереження ми вивчали? Це закон збереження імпульсу, закон збереження механічної енергії, закон збереження електричного заряду. Цей перелік не є повним. Ті, хто вивчатиме фізику в старших класах, ознайомляться ще із законами збереження моменту імпульсу та іншими законами збереження, які описують взаємодію елементарних частинок.

Закон збереження механічної енергії виконується тільки в тому разі, якщо в ізольованій системі відсутні сили тертя й опору. Наприклад, при вільному падінні тіла потенціальна енергія буде перетворюватись у кінетичну, але загальне значення повної механічної енергії залишиться незмінним. Якщо ж під час руху на тіло будуть діяти сили тертя або опору середовища, то вони зменшать його механічну енергію. При цьому деяка її частина перетвориться в тепло, однак таке явище виходить за рамки механіки. Але закон збереження енергії в цьому разі діятиме за умови врахування не тільки механічних, а й теплових процесів.

У термодинаміці закон збереження енергії встановлює співвідношення між внутрішньою енергією тіла, кількістю теплоти, переданою тілу, і виконаною роботою. Якщо тілу надати певну кількість теплоти, то одна її частина піде на виконання механічної роботи, а інша частина — на збільшення внутрішньої енергії тіла.

Загальний, універсальний характер законів збереження, що не вимагає аналізу деталей того чи іншого явища, зумовлює простоту цих законів і достовірність результатів, що одержані на їх основі. Підкреслимо, що деталі того чи іншого явища, особливості механізму взаємодії, часто нам не відомі або відомі наближено, їхній облік нерідко є досить складним. Досліджуючи те чи інше явище, фізик перш за все аналізує його на рівні законів збереження й лише після цього за необхідності починає вивчати деталі. Багато явищ досліджені в даний час лише на рівні законів збереження.

Дати відповіді на питання:

1. Яка роль законів збереження в поясненні фізичних явищ?

2. Назвіть відомі вам закони збереження.

Складіть схему асоціації до слова "енергія"