Фізика. 9 клас. Головко

§ 47. Фундаментальний характер законів збереження в природі

• Закони збереження в природі

• Межі застосування фізичних законів і теорій

ЗАКОНИ ЗБЕРЕЖЕННЯ В ПРИРОДІ. Рух матерії описується фундаментальними законами, кожен з яких характеризує механічні, теплові, електромагнітні та інші природні явища. Механічний рух може перетворюватися у тепловий, тепловий — у хімічний, хімічний — в електричний тощо, що свідчить про єдність і безперервність якісно різних форм матерії. Але під час різноманітних перетворень виконується фундаментальний закон природи — закон вічності матерії та її руху.

Загальною кількісною мірою руху і взаємодії різних видів матерії є енергія, поняття якої об’єднує різноманітні природні явища і є фундаментальною характеристикою фізичного стану речовини і поля.

Джерела енергії на Землі багаті й різноманітні. У давнину люди знали лише одне — мускульну силу людини і домашніх тварин. Нині значну частину роботи здійснюють машини і механізми, джерелом енергії яких є різні види палива — кам’яне вугілля, торф, нафта, а також вода, Сонце і вітер. Енергія космічного простору акумулюється Сонцем у вигляді енергії атомних ядер хімічних елементів, електромагнітних і гравітаційних полів. Сонце ж забезпечує нею Землю у формі геомагнетизму та різного виду випромінювань тощо (рис. 47.1).

Рис. 47.1. Джерела енергії

Енергія вивільняється під час природних явищ (виверження вулканів, землетруси, грози, цунамі тощо), обміну речовин у живих організмах, корисної роботи з переміщення тіл, зміни їх структури, накопичується в акумуляторах, конденсаторах, під час деформації пружин, мембран та ін. Будь-які форми енергії, перетворюючись одна в одну в процесі механічного руху, хімічних реакцій і електромагнітних випромінювань, згодом трансформуються в тепло і розсіюються в навколишньому просторі, що проявляється у вигляді вибухів, горіння, плавлення, випаровування, радіоактивного розпаду тощо.

У природі постійно здійснюється кругообіг енергії. При цьому під час будь-яких фізичних взаємодій енергія ні з чого не виникає і нікуди не зникає, а лише перетворюється з одного виду в інший. Тому закони збереження є фундаментальними законами природи. Їх відкриття розпочалося із встановлення М. Ломоносовим і А. Лавуазьє закону збереження маси речовини — сума мас вхідних сполук дорівнює сумі мас продуктів хімічної реакції. Потім німецькі вчені — лікар Ю. Майєр і натураліст Р. Гельмгольц та англійський фізик Дж. Джоуль експериментально довели існування законів збереження в немеханічних процесах.

Закон збереження механічної енергії вперше було сформульовано німецьким ученим А. Лейбніцем. Ви вже знаєте, що повна механічна енергія замкнутої системи тіл, що взаємодіють із силами тяжіння та пружності, залишається незмінною:

W = W_п + W_к = const,

де W_п — потенціальна, a W_к — кінетична енергії. Фізичний зміст цього закону полягає не лише у встановленні факту збереження повної механічної енергії, а й у можливості взаємних перетворень кінетичної в потенціальну і навпаки.

Закон збереження енергії за участю гравітаційних сил і сил пружності є одним з основних законів механіки. Його застосування спрощує розв’язування багатьох практичних завдань.

Наприклад, щоб отримати електричну енергію, використовують енергію води. З цією метою будують греблі, перегороджуючи річки. Під дією сили тяжіння вода з водосховища за греблею рухається вниз і діє на лопаті гідравлічної турбіни. Потенціальна енергія води перетворюється в кінетичну енергію обертального руху турбіни, яка генерує електричну енергію (рис. 47.2).

Рис. 47.2. Міні- й мегагідроелектростанції

Поняття енергії пов’язане зі здатністю фізичного тіла виконувати роботу, здійснюючи певні зміни в навколишніх тілах. Автомобіль, що рухається горизонтальною ділянкою шляху, після вимкнення двигуна під дією сили тертя зупиняється. Під час гальмування відбувається нагрівання гальмівних колодок, шин і асфальту. У результаті дії сили тертя кінетична енергія автомобіля не зникає, а перетворюється у внутрішню енергію теплового руху молекул.

Закон збереження повної енергії замкнутої теплоізольованої системи, в якій відбуваються механічні, теплові, хімічні, ядерні та інші процеси, свідчить про те, що її енергія складається з механічної і внутрішньої:

W_повна = W_мех + U = W_к + W_п + U = const.

У законі збереження енергії стосовно теплових процесів стверджується, що теплота, підведена до замкнутої системи, витрачається на збільшення її внутрішньої енергії і роботу, здійснювану проти зовнішніх сил. Величину внутрішньої енергії можна збільшити двома еквівалентними способами — здійснивши над тілом механічну роботу або надавши йому певну кількість теплоти.

Згідно з другим законом Ньютона, незалежно від того, перебуває тіло в спокої або рухається рівномірно і прямолінійно, зміна його швидкості може відбуватися лише під дією сили, тобто в результаті взаємодії з іншими тілами. Експериментальні дослідження взаємодій — від планет і зірок до атомів і електронів та елементарних частинок свідчать, що в будь-якій системі тіл за відсутності дії зовнішніх сил геометрична сума імпульсів залишається незмінною.

Цей фундаментальний закон природи називається законом збереження імпульсу. Необхідною умовою його застосування є наявність інерціальної системи відліку. Закон збереження імпульсу покладено в основу реактивного руху, розрахунків спрямованих вибухів, наприклад, під час прокладання тунелів у горах тощо.

Для електричних явищ важливе значення має закон збереження заряду: у замкнутій системі сумарний електричний заряд не змінюється. Дж. Джоуль встановив залежність між величиною кількості теплоти, що виділяється під час проходження електричного струму через провідник, силою струму і його опором — взаємоперетворення різних форм матерії.

Яскраво дія законів збереження проявляється у світі елементарних частинок, де вони регулюють їхні взаємоперетворення. Саме завдяки законам збереження фізикам вдається пояснити, наприклад, стабільність електрона, якому нікуди передати електричний заряд. Закон збереження енергії й імпульсу пояснює явище дефекта мас, згідно з яким маса спокою атомного ядра певного ізотопу менша мас спокою складових його нуклонів.

Закони збереження маси й енергії, як фундаментальні закони природи, були сформульовані до середини XIX ст. На початку XX ст. із розробленням спеціальної теорії відносності, було встановлено, що маса тіла залежить від його швидкості й характеризує не лише кількість матерії, а і її рух (можливе як перетворення енергії спокою в кінетичну, так і навпаки — кінетичної в енергію спокою):

Е = mс²,

де m — маса тіла, а c — швидкість поширення світла.

Тобто у природі можливе як «перетворення маси в енергію» (зменшення маси та збільшення енергії), так і «перетворення енергії в масу». При цьому повна енергія системи залишається незмінною під час будь-яких процесів, що не заперечує її перетворення з однієї форми в іншу.

Еволюція наукових досліджень законів збереження свідчить, що вони поступово уточнювалися та набували чітких кількісних означень, що відображають функціональну залежність фундаментальних фізичних величин. Це мало особливо велике практичне значення для розвитку техніки та технологій. На підставі законів збереження можна обґрунтувати нездійсненність проєктів економічно привабливого вічного двигуна — пристрою, здатного виконувати роботу, що перевершує необхідні витрати енергії.

МЕЖІ ЗАСТОСУВАННЯ ФІЗИЧНИХ ЗАКОНІВ І ТЕОРІЙ. Від гігантських зірок і зоряних скупчень до невидимих атомів та елементарних часток — діапазон пізнання Всесвіту. У цьому процесі вчені стикаються із вражаючим на перший погляд контрастом макро- й мікросвітів — великих тіл і порівняно невеликих швидкостей та малих об’єктів і величезних швидкостей.

Історично склалося так, що людина спочатку ознайомлюється з макросвітом, поступово наближаючись до його меж, з одного боку, за допомогою телескопів, а з другого — мікроскопів.

Закони І. Ньютона, що є узагальненням багатовікового досвіду людства, покладені в основу класичної механіки. Їх об’єктивність підтверджується багатьма науковими теоріями й технічними застосуваннями. Спираючись на закони класичної механіки, будують складні машини й механізми, розраховують рух планет та ін.

У процесі вивчення мікросвіту виявилося, що закони класичної механіки в мікросвіті, де частинки рухаються зі швидкостями, близькими до швидкості світла, є непридатними. Тому виникла релятивістська, заснована на теорії відносності, квантова фізика — фізика атомів й елементарних частинок. Створення теорії відносності, положення якої змусили переглянути уявлення про простір і час, стало фундаментом нових фізичних концепцій. Відповідно до сучасних уявлень, класична механіка має певні межі застосування: її закони виконуються для відносно повільних рухів.

Закони класичної механіки є справедливими для інерціальних систем відліку. Під час нерівномірного руху однієї системи відносно іншої закони Ньютона не справджується.

Проте положення нових теорій не заперечують ньютонівську. Рівняння релятивістської механіки гранично (для швидкостей, малих порівняно із швидкістю світла) перетворюються в рівняння класичної. Аналогічна ситуація й із співвідношенням між класичною й квантовою механікою. Її рівняння також гранично (для мас, значно більших порівняно з масами атомів) трансформуються на рівняння класичної.

Класична механіка залишається основою сучасної техніки. Усталеними залишаються й «класичні» образи природи — простір, час, маса, сила тощо. Вони зберігаються в сучасному природознавстві, але стають значно чіткішими й змістовнішими.

! Головне в цьому параграфі

Закони збереження маси, енергії, імпульсу, заряду — є фундаментальними законами природи.

Закон збереження енергії є наслідком однорідності часу, а імпульсу — однорідності простору.

Класична механіка, що ґрунтується на законах Ньютона, є механікою тіл великих (порівняно з масою атомів) мас, що рухаються з малими (порівняно із швидкістю світла) швидкостями.

Повна механічна енергія замкнутої системи тіл, що взаємодіють із силами тяжіння та пружності, залишається незмінною: W = W_п + W_к = const.

Повна енергія замкнутої теплоізольованої системи, в якій відбуваються механічні, теплові, хімічні, ядерні та інші процеси, залишається незмінною: W_повна = W_мех + U = W_к + W_п + U = const.

? Запитання для самоперевірки

1. Якими загальними властивостями володіє матерія? Які її основні форми і види ви знаєте?
2. Охарактеризуйте традиційні джерела енергії. Які подальші перспективи використання енергії вітру, Світового океану й геотермальних джерел?
3. Що таке потенціальна енергія?
4. Чому дорівнює потенціальна енергія піднятого над землею вантажу? Деформованої пружини?
5. Що таке кінетична енергія? Чому вона дорівнює?
6. Що таке механічна енергія? Які одиниці її виміру?
7. Які перетворення енергії відбуваються за наявності тертя?
8. Які фундаментальні закони збереження в природі ви знаєте?
9. За якої умови зберігається механічна енергія?
10. Сформулюйте закон збереження імпульсу. Енергії.
11. Назвіть причини існування меж використання законів Ньютона.

Готуємось до виконання навчального проєкту.

Використовуючи наукову літературу та ресурси Інтернету, підготуйте повідомлення про сучасний стан фізичних досліджень в Україні та світі.

Вправа до § 47

1 (п). Яку потенціальну енергію має вантаж масою 20 кг, піднятий на висоту 10 м?

2 (п). Чому дорівнює потенціальна енергія пружини жорсткістю 200 Н/м, якщо вона стиснута на 40 см?

3 (с). У скільки разів зростає кінетична енергія автомобіля у разі збільшення його швидкості з 36 до 72 км/год?

4 (с). Камінь кинули вертикально вгору зі швидкістю 18 м/с. На якій висоті його кінетична енергія в 2 рази перевищує потенціальну енергію?

5 (д). Ракета під дією ракетоносія була піднята на висоту 4 • 10⁴ м й набула швидкості 1,4 • 10³ м/с. Визначте роботу, виконану ракетоносієм, а також кінетичну і потенційну енергію на цій висоті, маса ракети 500 кг.

6 (д). Автомобіль масою 1000 кг їде зі швидкістю 18 км/год. Після вимкнення двигуна він проїжджає 20 м до зупинки. Яка сила тертя діє на автомобіль? (Вважати її незмінною.)

7 (д). Локомотив тягне потяг горизонтальною ділянкою шляху довжиною 1 км і розвиває постійну силу тяги 50 кН. Його швидкість зросла від 30 до 40 км/год. Маса потягу дорівнює 800 т. Визначте силу опору, яку він зазнає під час руху.

8 (в). Куля, що летить горизонтально, потрапляє в сферу, підвішену на легкому жорсткому стрижні, і застряє в ній. Її маса в 1000 разів менше маси сфери, а відстань від точки підвісу до центру 1 м. Визначте швидкість кулі, якщо відомо, що стрижень зі сферою відхилився від удару кулі на кут 10°.

9 (в). Якщо розтягнути пружину на 1 см, її потенціальна енергія становитиме 10 Дж. Чому дорівнюватиме потенціальна енергія цієї ж пружини, якщо її розтягнути ще на 2 см?

Зміст