mozok.click » Podręczniki w języku polskim » Fizyka » Fundamentalne oddziaływania w przyrodzie. Zakresy stosowania fizycznych praw i teorii. Fundamentalny charakter zasad zachowania
Інформація про новину
  • Переглядів: 142
  • Автор: admin
  • Дата: 29-03-2018, 03:34
29-03-2018, 03:34

Fundamentalne oddziaływania w przyrodzie. Zakresy stosowania fizycznych praw i teorii. Fundamentalny charakter zasad zachowania

Категорія: Podręczniki w języku polskim » Fizyka

Badając Wszechświat, uczeni zawsze zadawali się szeregiem pytań, wśród których: „Jak jest zbudowany Wszechświat, czyli jaka jest jego struktura?", „W jaki sposób z niewielkich cegiełek materii tworzy się różnorodność zjawisk przyrody i obiektów?", „Czy jednakowe prawa opisują różne zjawiska przyrody?". Badając fizykę próbowaliśmy odpowiedzieć na te pytania. Zróbmy uogólnienie.

Odpowiadamy na pytanie: „Jaka jest budowa Wszechświata?"

Udostępnioną do obserwacji część światu materialnego nazywamy Wszechświatem.

Wszystkie obiekty Wszechświata oraz zachodzące w nim zjawiska nauka dzieli na trzy jakościowo różne poziomy: mikroświat, makroświat, megaświat. Obiekty każdego poziomu Wszechświatu różnią się masą i rozmiarami:

Podaj przykłady obiektów mikroświatu; makroświatu; megaświatu.

Każdy strukturalny poziom Wszechświatu jest opisywany przez własną teorię fizyczną. Ruch i oddziaływanie obiektów mikroświatu opisuje mechanika kwantowa. W makroświecie rządzi mechanika klasyczna, podstawą której są zasady mechaniki Newtona. Megaświat — jest to, przede wszystkim, obiekt mechaniki relatywistycznej, podstawą której jest teoria względności A. Einsteina.



 

Dowiadujemy się dlaczego prawa i teorie fizyczne mają granice zastosowania

Zapoznając się z p. 1 paragrafu, niektórzy z was będą zdziwieni. Dlaczego, na przykład, zasady mechaniki Newtona nie możemy stosować do opisywania ruchu mikrocząstek? Przecież są to zasady! Jednak przypomnijmy sobie, jak powstaje teoria fizyczna.

Jeżeli badamy pewien proces fizyczny (obserwujemy go, przeprowadzamy doświadczenia, wykonujemy obliczenia), to nie pragniemy ogarnąć wszystkich zjawisk, obserwowanych w trakcie tego procesu, nie uwzględniamy wpływu wszystkich czynników. Obieramy wyłącznie czynniki, które poważnie wpływają na proces, czyli budujemy fizyczny model procesu. Wykorzystanie takiego modelu pozwala wyjaśnić przyrodę szeregu zjawisk fizycznych, sformułować prawa, które je opisują. Zbiór praw fizycznych tworzy teorię fizyczną.

Ponieważ do tworzenia teorii wykorzystujemy fizyczny model procesu, a nasza wiedza o tym procesie ogranicza się określoną ilością znanych na ten czas danych, nie ma nic dziwnego, że z czasem gromadzą się nowe dane, które nie będą już mieścić się w granicach stworzonej przez nas teorii. Czyli okaże się, że nasza teoria ma granice zastosowania. Nowe dane doprowadzą do tworzenia nowej teorii, która zazwyczaj będzie zawierać poprzednią teorię jako część składową, a nie będzie ją zaprzeczać (rys. 39.1, 39.2).

Fundamentalne oddziaływania we Wszechświecie

Przypomnij sobie naukę fizyki i chemii. Dzięki jakiemu oddziaływaniu utrzymują się w jądrze nukleony? elektrony w atomie? atomy w cząsteczce? człowiek w pobliżu planety? planeta obok Słońca?

Spodziewamy się, że odpowiedziałeś na te pytania, podając trzy znane ci rodzaje oddziaływań: silne, elektromagnetyczne, grawitacyjne. Właśnie oddziaływanie uwarunkowuje łączenie „cegiełek” materii w atomy, atomów i cząsteczek - w substancję itd. Dowolne właściwości ciał i dowolne zjawiska są związane oddziaływaniem.

Obecnie w nauce rozróżniamy cztery fundamentalne oddziaływania: grawitacyjne, elektromagnetyczne, silne, słabe.

W ciągu kilku dziesięcioleci uczeni próbują stworzyć teorię uniwersalnego oddziaływania. Pewne osiągnięcia już są znane. Na koniec lat 60. ubiegłego stulecia udało się stworzyć teorię, nazwaną oddziaływaniem słabym, która połączyła elektromagnetyczne i słabe oddziaływania. Jednak na połączenia wszystkich rodzajów oddziaływań jeszcze nie czas.

Fundamentalne oddziaływania w przyrodzie

Grawitacyjne

E lektromagne tyczne

Silne

Słabe

Dowolne obiekty materialne we Wszechświecie przyciągają się wzajemnie.

Elektryczne oddziaływanie naładowanych ciał i cząstek; magnetyczne przyciąganie i odpychanie ruchomych naładowanych cząstek i namagnesowanych ciał.

Oddziaływanie nukleonów w jądrze niezależnie od ich ładunku.

„Odpowiada” za β-rozpad jąder atomowych i powolne rozpady cząstek.

Ujawnia się na dowolnych odległościach.

Ujawnia się na dowolnych odległościach.

Ujawnia się na odległościach rzędu 10-15 m (rozmiary nukleonu).

Ujawnia się na odległościach rzędu 1CT18 m.

Powstanie i istnienie planet, planetarnych gwiezdnych układów, galaktyk.

Powstanie i istnienie atomów, cząsteczek, ciał fizycznych; po-wstanie sygnałów radiowych, impulsów nerwowych.

Istnienie i trwałość jąder atomowych

β-rozpad jąder atomowym.

Blask gwiazd.

Dowiadujemy się o fundamentalności zasad zachowania w przyrodzie

Przestrzeń oraz czas są to pewne miejsca, w których „odbywają” się wszystkie zjawiska i procesy we Wszechświecie. Dlatego nie ma nic dziwnego w tym, że właśnie z fundamentalnymi właściwościami przestrzeni i czasu są powiązane najbardziej ważne prawa Wszechświata - prawa zachowania. Prawa nazywamy fundamentalnymi przez to, że pasują one do obiektów makroświata, mikroświata oraz mega-świata, - te prawa sprawdzają się podczas dowolnego oddziaływania.

Przez długi czas uczeni intuicyjnie domyślali się o tym, że każde prawo zachowania jest powiązane z określoną symetrią we Wszechświecie (rys. 39.3).

W 1918 r. wybitny niemiecki matematyk Amalie Emmy Noether (1882—1935) (czyt. Neter) udowodniła twierdzenie, zgodnie z którym każdej ciągłej symetrii fizycznego układu odpowiada określone prawo zachowania. Prawo zachowania energii jest skutkiem jednorodności czasu* — symetrii względem zsuwu w czasie; prawo

zachowania pędu jest skutkiem jednorodności przestrzeni — symetrii względem przesuwania w przestrzeni.

Jednym ze skutków praw zachowania jest przewidywanie niemożliwości niektórych procesów, ponieważ te prawa pozwalają wyciągać uogólnione wnioski nawet bez szczegółowej informacji. Na przykład, wiesz, że rzeczą niemożliwą jest stworzenie wiecznego silnika: właściwie idea jego istnienia zaprzecza się prawem zachowania i przemiany energii.

Wiesz o trzech fundamentalnych prawach zachowania: prawie zachowania i przemiany energii, prawie zachowania pędu, prawie zachowania ładunku elektrycznego. Rozpatrzymy przejawy prawa zachowania i przemiany energii.

Rozpatrzymy przejawy prawa zachowania i przemiany energii

Prawo zachowania i przemiany energii świadczy o tym, że energia z niczego nie powstaje, i nigdzie nie znika, tylko przekazuje się od jednego ciała do drugiego, przemienia się z jednej postaci w inną.

Rodzaje energii w przyrodzie

Mecha-

niczna

Wewnętrzna

Elektromagnetyczna

Cieplna

Che

miczna

Jądrowa

Elek

tryczna

Magne

tyczna

Wypro-

mienio-

wania

Energia ruchu i oddziaływania ciał lub części ciała

Energia bezwładnego ruchu i oddziaływania cząstek substancji

Energia

związków

chemicz

nych

Energia „zachowana” w jądrach atomów

Energia

prądu

elektrycz

nego

Energia magnesów trwałych i elektromagnesów

Energia fal elek-tromag-netycz-nych


Rozpatrzymy procesy przemiany energii na przykładach.

Przykład 1. Na rys. 39.4 przedstawiono dwa łańcuchy przemiany energii słonecznej. Zaobserwuj łańcuch naturalny (rys. 39.4, b).

Energia jądrowa, która uwalnia się na Słońcu podczas reakcji jądrowych, przemienia się w energię promieniowania.

Trafiając na zielone liście, ta energia jest pochłaniana przez chlorofil i przemienia się na energię chemiczną substancji odżywczych.

Zużywając energię chemiczną, zachowaną przez rośliny (jedzenie), organizm człowieka przemienia ją na chemiczną energię komórki.

Zgromadzona chemiczna energia, na przykład w mięśniach człowieka, przemienia się na energię mechaniczną (kinetyczną energię ruchu).

Spróbuj opisać przemiany energii słonecznej w technice (rys. 39.4, a).

Przykład 2. Rozpatrzymy „ruch” energii podczas pracy elektrowni wodnej (rys. 39.5). Tama przegrodziła rzekę — powstał zbiornik wodny, poziom wody w którym jest wyższy, niż poziom wody poza tamą, dlatego woda w zbiorniku wodnym ma energię potencjalną.

Padając z wysokości, woda traci energię potencjalną i uzyskuje energię kinetyczną.

Trafiając na tarcze turbiny, woda przekazuje im swoją energię kinetyczną i turbina otrzymuje kinetyczną energię obrotu.

Turbina obraca wirnik generatora elektrycznego, w którym energia mechaniczna obrotu przemienia się w energię elektryczną.

Energia elektryczna przez przewody elektryczne dochodzi do żarówek w twoim mieszkaniu i przemienia się w nich w energię świetlną i cieplną.

Podczas każdego z procesów część energii przemienia się w energię wewnętrzną (ogrzewanie wody, łożysk turbiny i generatora, przewodów).

W każdym z podanych łańcuchów energia przemienia się z jednego rodzaju w inny, jednak ogólna ilość energii pozostaje stała (energia zachowuje się). Gdy dodamy wszystkie wartości, które odpowiadają różnym energiom, to suma zawsze będzie jednakowa.

Podsumowanie

Widoczną dla obserwacji część świata materialnego nazywamy Wszechświatem. Wszystkie obiekty Wszechświata i należące im zjawiska nauka dzieli na trzy jakościowo różne poziomy: mikroświat, makroświat i megaświat.

Wszystkie zjawiska fizyczne oraz istnienie obiektów Wszechświata wyjaśnia się na podstawie fundamentalnych rodzajów oddziaływania: grawitacyjnego, elektromagnetycznego, silnego i słabego.

Wszechświat istnieje w przestrzeni i czasie, właściwości których wyjaśniają istnienie fundamentalnych praw zachowania - praw, które opisują wszystkie procesy dowolnego poziomu strukturalnego Wszechświatu. Do takich praw należy, na przykład prawo zachowania i przemiany energii i prawo zachowania pędu.

Każda teoria fizyczna ma granice stosowania. Wraz z pojawieniem nowej wiedzy, pojawia się nowa teoria, która, zazwyczaj, zawiera poprzednią teorię jako część składową.

Pytania kontrolne

1. Podaj przykłady obiektów każdego poziomu strukturalnego Wszechświata.

2. Jaka teoria opisuje mikroświat? makroświat? megaświat? 3. Dlaczego każda teoria ma granice stosowania? 4. Wymień znane ci fundamentalne oddziaływania. Podaj przykłady ich wyrażenia. 5. Z jaką właściwością przestrzeni i czasu jest powiązane prawo zachowania i przemiany energii? prawo zachowania pędu? 6. Podaj znane ci rodzaje energii? 7. Podaj przykłady wyrażenia prawa zachowania i przemiany energii.

Ćwiczenie nr 39

1. Pośród dobrych rad gospodarczych jest taka: gdy w zimie trzymasz ziemniaki na balkonie, to trzymaj je w pojemniku, w którym umocuj żarówkę i periodycznie ją włączaj. W jakim celu należy to robić? Czy w ciemności jest zimniej niżeli przy świetle?

2. Na rys. 1 przedstawiono kilka przykładów przemiany energii. Jaka energia i w jaką przemienia się w każdym wypadku?

3. Jakie przemiany energii zachodzą podczas wypuszczania na orbitę kosmiczną statku? podnoszenia się windy? wbijania gwoździa do deski?

4. Według danych rys. 2, określ sprawność samochodu.

5. Podczas łączenia się dwóch cząstek powstała cząstka bardziej złożona. Przy tym wydzieliła się energia całkowita E (rys. 3, a). Tę cząstkę zniszczono, czyli wróciła ona do początkowego stanu (rys. 3, b). Wydziela się czy pochłania się przy tym energia? Ile energii wydziela się czy pochłania się przy tym?

6. Za pomocą promieniotwórczego szeregu Toru (patrz rys. 23.9), zapisz jeden β-rozpady i jeden α-rozpady. Udowodnij, że podczas tych reakcji sprawdza się prawo zachowania ładunku elektrycznego.


Doświadczenie

Za pomocą hula-hopu, sznura, metra krawieckiego oraz stopera udowodnij prawidłowość prawa zachowania energii mechanicznej.

1. Zmierz długość hula-hopu i zawieś go tak, aby punkty zawieszenia znajdowały się w wierzchołkach równobocznego trójkąta (rys. 4).

2. Zakręć hula-hopem tak, aby sznur w górnym punkcie został zakręcony.

3. Zmierz wysokość h, na którą podniósł się przy tym hula-ho.

4. Odpuść hula-hop - zacznie on się kręcić. Gdy prędkość obrotu hula-hopu przybliży się do maksymalnej (sznur prawie całkowicie się rozkręci), wyznacz prędkość ruchu punktów hula-hopu.

Dla tego zmierz czas pięciu pełnych obrotów, oblicz okres obrotu T stosując wzór v = UT, gdzie l — długość hula-hopu.

5. Wyznacz stosunki energii kinetycznej ruchu punktów hula-hopu i energii potencjalnej podniesionego hula-hopu. Wyciągnij wniosek.

Fizyka i technika na Ukrainie

Wiktor Głuszkow (1923-1982) - znany Ukraiński uczony, akademik, autor fundamentalnych prac w dziedzinie cybernetyki, matematyki, informatyki, założyciel i pierwszy dyrektor Instytutu Cybernetyki PAN Ukrainy.

Pierwsze opracowania Instytutu Cybernetyki są to maszyny elektroniczne „Kijów" oraz uniwersalna maszyna sterująca „Dniepr". Pierwszą maszyną, stosowaną w obliczeniach inżynieryjnych jest maszyna elektroniczna „Promień" ze stopniowym sterowaniem mikroprogramowym, następnie są to unikalne układy obliczeniowe „ΜIR—1", „MIR-2", „MIR-3". Z czasem idee Głuszkowa zostały zrealizowane przez jego uczniów podczas tworzenia najszybszych na ten czas układów ES—2701 oraz ES -1766 o wydajności powyżej 1 mlrd operacji na sekundę.

Dzięki inicjatywie W. Głuszkowa w 1969 r. na Uniwersytecie Kijowskim im. T Szewczenki został założony Wydział Cybernetyki. W 1982 r. ufundowano nagrodę im. W. Głuszkowa za wybitne pracy naukowe w dziedzinie cybernetyki, ogólnej teorii maszyn obliczeniowych i układów.

 

Źródło: Fizyka podręcznik dla klasy 9 Barjachtar

 






^