Фізика. 9 клас. Бар’яхтар

§ 39. Фундаментальні взаємодії в природі. Межі застосування фізичних законів і теорій. Фундаментальний характер законів збереження

Дослідження Всесвіту завжди ставило перед дослідниками низку питань, серед яких передусім «Як побудований Всесвіт, тобто якою є його структура?», «Як із невеликих цеглинок матерії утворюється все різноманіття природних явищ і природних об'єктів?», «Чи однаковим законам підкорюються різні природні явища?». Вивчаючи фізику, ви намагалися знайти відповіді на ці питання. Спробуємо узагальнити.

1. Відповідаємо на запитання: «Якою є структура Всесвіту?»

Усю доступну для спостереження частину матеріального світу називають Всесвітом.

Усі об’єкти Всесвіту та властиві їм явища наука поділяє на три якісно різні рівні: мікросвіт, макросвіт, мегасвіт. Об’єкти кожного рівня Всесвіту передусім відрізняються масою та розмірами:

Структурні рівні Всесвіту

Мікросвіт

Макросвіт

Мегасвіт

Світ молекул, атомів та їхніх складників

Світ речовин, живих істот, макротіл

Світ планет, зір, зоряних скупчень — галактик

Розмір 10-18-10-10 м

Маса не більше 10-10 кг

Розмір 10-10-107 м

Маса 10-10-1020 кг

Розмір понад 107 м

Маса понад 1020 кг

• Наведіть декілька об’єктів мікросвіту; макросвіту; мегасвіту.

Кожний структурний рівень Всесвіту описується власною фізичною теорією. Так, рух і взаємодію об’єктів мікросвіту насамперед описує квантова механіка. У макросвіті панує класична механіка, в основу якої покладено закони механіки Ньютона. Мегасвіт — це передусім об’єкт релятивістської механіки, яка базується на теорії відносності А. Ейнштейна.

2. Дізнаємося, чому фізичні закони й теорії мають межі застосування

Ознайомившись із π. 1 цього параграфа, дехто з вас здивований. Чому, наприклад, закони механіки Ньютона не можна застосовувати для описання руху мікрочастинок? Це ж закони! Але згадаємо, як будується фізична теорія.

Якщо ми вивчаємо певний фізичний процес (спостерігаємо за ним, здійснюємо експерименти, виконуємо розрахунки), то не намагаємось охопити всі явища, що спостерігаються в ході цього процесу, не враховуємо вплив усіх чинників. Ми обираємо лише чинники, які, на нашу думку, суттєво впливають на процес, тобто будуємо фізичну модель процесу. Використання моделі дає нам змогу пояснити природу цілої низки фізичних явищ, сформулювати закони, яким вони підкоряються. Сукупність фізичних законів утворює фізичну теорію.

Оскільки для створення теорії ми використовуємо фізичну модель процесу, а наші знання про цей процес обмежені певною кількістю відомих на даний час фактів, то не дивно, що згодом накопичаться нові факти, які вже не будуть укладатися в межі створеної нами теорії. Тобто виявиться, що наша теорія має межі застосування. Нові факти ведуть до створення нової теорії, яка зазвичай містить попередню теорію як складову, а не суперечить їй (рис. 39.1, 39.2).

Рис. 39.1. Класична механіка Ньютона справджується тільки для описання руху тіл зі швидкістю, яка набагато менша від швидкості поширення світла. Рух тіл, швидкість яких є порівнянною зі швидкістю світла (наприклад, рух віддалених галактик), описує спеціальна теорія відносності

Рис. 39.2. Випромінювання електромагнітних хвиль змінним електричним струмом можна пояснити за допомогою класичної електродинаміки Максвелла, а от для пояснення випромінювання атомом світла (електромагнітних хвиль оптичного діапазону) слід застосовувати квантову електродинаміку, що містить класичну як складову

3. Фундаментальні взаємодії у Всесвіті

• Згадайте курси фізики й хімії. Завдяки якій взаємодії утримуються нуклони в ядрі? електрони в атомі? атоми в молекулі? молекули в речовині? людина біля планети? планета біля Сонця?

Сподіваємося, що ви змогли відповісти на запитання, назвавши три відомі вам види взаємодії: сильна, електромагнітна, гравітаційна. Саме взаємодія зумовлює об’єднання «цеглинок» матерії в атоми, атомів — у молекули, молекул — у речовину і т. д. Будь-які властивості тіл, будь-які явища пов’язані із взаємодією.

На сьогодні в науці розрізняють чотири фундаментальні взаємодії: гравітаційну, електромагнітну, сильну, слабку (див. таблицю).

Протягом кількох десятиліть учені намагаються створити теорію єдиної універсальної взаємодії. Деякі кроки вже зроблено. Наприкінці 60-х рр. минулого століття вдалося створити теорію так званої електрослабкої взаємодії, в межах якої об’єднано електромагнітну та слабку взаємодії. Але до повного («великого») об’єднання всіх видів взаємодій ще далеко.

Фундаментальні взаємодії в природі

гравітаційна

електромагнітна

сильна

слабка

Будь-які матеріальні об’єкти у Всесвіті притягуються один до одного

Електрична взаємодія заряджених тіл і частинок; магнітне притягання та відштовхування рухомих заряджених частинок і намагнічених тіл

Взаємне притягання нуклонів усередині ядра незалежно від їхнього заряду

«Відповідає» за β-розпад атомних ядер

Виявляється на будь-яких відстанях

Виявляється на будь-яких відстанях

Виявляється на відстанях порядку 10-15 м (розмір нуклона)

Виявляється на відстанях порядку 10-18 м

Утворення та існування планет, зіркових планетних систем, галактик тощо

Утворення та існування атомів, молекул, фізичних тіл; утворення радіосигналів, нервових імпульсів тощо

Існування та стійкість атомних ядер

Повільні розпади частинок

Світіння зір

4. Дізнаємося про фундаментальний характер законів збереження в природі

Простір і час є своєрідною ареною, на якій «розігруються» всі явища та процеси у Всесвіті. Тому не дивно, що саме з фундаментальними властивостями простору і часу пов’язані найважливіші закони Всесвіту — закони збереження. Ці закони називають фундаментальними, адже їм підкоряються як об’єкти макросвіту, так і об’єкти мікро- та мегасвіту, — ці закони справджуються під час будь-якої взаємодії.

Тривалий час учені інтуїтивно здогадувалися, що кожен закон збереження пов’язаний із певною симетрією у Всесвіті (рис. 39.3).

Рис. 39.3. Найпростіші типи симетрій у природі

У 1918 р. видатний німецький математик Еммі Амалі Нетер (1882-1935) довела теорему, згідно з якою кожній неперервній симетрії фізичної системи відповідає певний закон збереження. Так, закон збереження енергії є наслідком однорідності часу* — симетрії відносно зсуву в часі; закон збереження імпульсу є наслідком однорідності простору — симетрії відносно перенесення в просторі.

* Однорідність простору і часу означає, що фізичні властивості та явища є однаковими в будь-якій точці простору, в будь-який момент часу.

Одним із наслідків законів збереження є передбачення неможливості деяких процесів, адже ці закони дозволяють зробити узагальнені висновки навіть без детальної інформації. Наприклад, ми знаємо про неможливість створення вічного двигуна: власне ідея його існування суперечить закону збереження і перетворення енергії.

Ви знаєте про три фундаментальні закони збереження: закон збереження і перетворення енергії, закон збереження імпульсу, закон збереження електричного заряду. Розглянемо прояви закону збереження і перетворення енергії.

5. Розглядаємо прояви закону збереження і перетворення енергії

Закон збереження і перетворення енергії свідчить, що енергія нікуди не зникає, нізвідки не виникає, вона лише передається від одного тіла до іншого, перетворюється з одного виду на інший. Згадаємо види енергії:

Види енергії в природі

Механічна

Внутрішня

Електромагнітна

теплова

хімічна

ядерна

електрична

магнітна

випромінювання

Енергія руху та взаємодії тіл або частин тіла

Енергія хаотичного руху та взаємодії частинок речовини

Енергія хімічних зв’язків

Енергія, «схована» в ядрах атомів

Енергія електричного струму

Енергія постійних магнітів і електромагнітів

Енергія електромагнітних хвиль

Розглянемо процеси перетворення енергії на прикладах.

Приклад 1. На рис. 39.4 подано два ланцюжки перетворення сонячної енергії. Прослідкуємо за «природним» ланцюжком (рис. 39.4, а).

Рис. 39.4. Перетворення сонячної енергії у природі (а); техніці (б)

Ядерна енергія, яка вивільняється на Сонці в ході термоядерної реакції, перетворюється на енергію випромінювання.

Потрапляючи на зелене листя рослин, ця енергія поглинається хлорофілом і перетворюється на хімічну енергію поживних речовин.

Споживаючи хімічну енергію, збережену рослинами (їжу), організм людини перетворює її на хімічну енергію клітин.

Хімічна енергія, запасена, наприклад, у м’язах людини, перетворюється на механічну енергію (кінетичну енергію руху).

Спробуйте описати перетворення сонячної енергії в техніці (рис. 39.4, б).

Приклад 2. Розглянемо «рух» енергії під час роботи гідроелектростанції (рис. 39.5). Гребля перегородила річку — утворилося водосховище, рівень води в якому вищий за рівень у річищі за греблею, тому вода у водосховищі має потенціальну енергією.

Рис. 39.5. Гідроелектростанція: а — схема роботи; б — вигляд (ДніпроГЕС)

Падаючи з висоти, вода втрачає потенціальну енергію, але набуває кінетичної.

Потрапляючи на лопаті турбіни, вода віддає їй свою кінетичну енергію, і турбіна отримує кінетичну енергію обертання.

Турбіна обертає ротор електричного генератора, в якому механічна енергія обертання перетворюється на електричну енергію.

Проводами електрична енергія доходить до електролампи у вашій оселі і в ній перетворюється на світлову й теплову.

У ході кожного із процесів частина енергії перетворюється на внутрішню (нагрівання води, підшипників турбіни та генератора, проводів тощо).

У кожному з наведених ланцюжків енергія перетворюється з одного виду на інший, проте загальна кількість енергії залишається незмінною (енергія зберігається). Якщо ми додамо всі значення, які відповідають різним видам енергії, то сума завжди буде однаковою.

Підбиваємо підсумки

Усю доступну для спостереження частину матеріального світу називають Всесвітом. Усі об’єкти Всесвіту та властиві їм явища наука поділяє на три якісно різні рівні: мікросвіт, макросвіт і мегасвіт.

Усі фізичні явища та існування об’єктів Всесвіту можна пояснити на основі фундаментальних видів взаємодій: гравітаційної, електромагнітної, сильної, слабкої.

Всесвіт існує в просторі та часі, властивостями яких пояснюється існування фундаментальних законів збереження — законів, яким підкоряються всі процеси будь-якого структурного рівня Всесвіту. До таких законів належать, наприклад, закон збереження і перетворення енергії та закон збереження імпульсу.

Кожна фізична теорія має межі застосування. З появою нових знань створюється нова теорія, яка зазвичай містить попередню теорію як складову.

Контрольні запитання

1. Наведіть приклади об’єктів кожного зі структурних рівнів Всесвіту. 2. Яка теорія переважно описує мікросвіт? макросвіт? мегасвіт? 3. Чому кожна фізична теорія має межі застосування? 4. Які фундаментальні взаємодії ви знаєте? Наведіть приклади їх проявів. 5. З якою властивістю простору або часу пов’язаний закон збереження і перетворення енергії? закон збереження імпульсу? 6. Які існують види енергії? 7. Наведіть приклади проявів закону збереження та перетворення енергії.

Вправа № 39

1. Серед корисних господарських порад є така: якщо ви взимку зберігаєте картоплю на лоджії, то, щоб картопля не замерзла, в ящику, де вона зберігається, слід прилаштувати електричну лампу розжарення та періодично її вмикати. Навіщо? Хіба в темряві холодніше, ніж на світлі?

2. На рис. 1 подано декілька прикладів перетворення енергії. Який вид енергії на який перетворюється в кожному випадку?

Рис. 1

3. Які перетворення енергії відбуваються під час запуску на орбіту космічного корабля? підйому ліфта? забивання цвяха в дошку?

4. Скориставшись даними рис. 2, визначте ККД автомобіля.

Рис. 2

5. У ході об’єднання двох частинок виникла складніша частинка, при цьому виділилася певна енергія Е (рис. 3, а). Складну частинку зруйнували, тобто відновили початковий стан (рис. 3, б). Вивільнилася чи поглинулася при цьому енергія? Скільки енергії вивільнилося або поглинулося?

Рис. 3

6. Скориставшись радіоактивним рядом Торію (див. рис. 23.9), запишіть одну реакцію β-розпаду та одну реакцію α-розпаду. Доведіть, що під час цих реакцій виконується закон збереження електричного заряду.

Експериментальне завдання

Скориставшись гімнастичним обручем, мотузкою, вимірювальною стрічкою та секундоміром, доведіть правдивість закону збереження механічної енергії.

1. Виміряйте довжину обруча й підвісьте його так, щоб точки підвісу були у вершинах правильного трикутника (рис. 4).

Рис. 4

2. Закрутіть обруч так, щоб мотузка у верхній частині мала круту скрутку.

3. Виміряйте висоту h, на яку при цьому піднявся обруч.

4. Відпустіть обруч — він почне обертатися. Коли швидкість обертання обруча наближатиметься до максимальної (мотузка майже повністю розкрутиться), визначте швидкість руху точок обруча. Для цього виміряйте час п’яти повних обертів, обчисліть період обертання Т і скористайтеся формулою v = l/T, де l — довжина обруча.

5. Знайдіть відношення кінетичної енергії руху точок обруча до потенціальної енергії піднятого обруча. Зробіть висновок.

Фізика і техніка в Україні

Віктор Михайлович Глушков (1923-1982) — всесвітньо відомий український учений, академік, автор фундаментальних праць у галузі кібернетики, математики та обчислювальної техніки, засновник і перший директор Інституту кібернетики НАНУ, який сьогодні носить його ім'я.

Перші розробки Інституту кібернетики — ЕОМ «Київ» і універсальна керуюча машина «Дніпро», яка була гідним конкурентом найкращим американським аналогам. Першою машиною для інженерних розрахунків стала ЕОМ «Промінь» зі ступеневим мікропрограмним керуванням, наступними — унікальні обчислювальні системи «МИР-1», «МИР-2», «МИР-3». Згодом ідеї Глушкова були реалізовані його учнями в ході створення найбільш швидкодіючих на той час систем ЕС-2701 і ЕС-1766 з номінальною продуктивністю понад 1 млрд операцій за секунду.

За ініціативою В. М. Глушкова в 1969 р. на базі Київського університету ім. Тараса Шевченка було відкрито факультет кібернетики.

У 1982 р. НАНУ започаткувало премію ім. В. М. Глушкова за видатні наукові роботи в галузі кібернетики, загальної теорії обчислювальних машин і систем.

ГДЗ до підручника можна знайти тут.