01.04.

ТЕМА: ФУНДАМЕНТАЛЬНИЙ ХАРАКТЕР ЗАКОНІВ ЗБЕРЕЖЕННЯ У ПРИРОДІ

Фундаментальні фізичні закони - найповніше на сьогоднішній день, але наближене відображення об’єктивних процесів у природі. Різні форми руху матерії описуються різними фундаментальними теоріями. Кожна із цих теорій описує цілком певні явища: механічний або тепловий рух, електромагнітні явища.

Закони збереження фізичних величин - твердження, згідно з якими числові значення цих величин не змінюються із часом у будь-яких процесах або класах процесів.

Ідея збереження з’явилася спочатку як суто філософська думка про наявність незмінного, стабільного у вічно мінливому світі. Ще античні філософи-матеріалісти прийшли до поняття матерії як незнищенної і нестворюваної. З другого боку, спостереження постійних змін у природі приводило до подання про вічний рух матерії як важливої її властивості. З появою матеріалістичного формулювання механіки на цій основі з’явилися закони збереження.

Найважливішими законами збереження, які справджуються для будь- яких ізольованих систем, є закон збереження енергії і закон збереження імпульсу.

Закон збереження енергії в механічних процесах. Механічна енергія поділяється на два види: потенціальну (Е_п = mgh - якщо тіло підняте на певну висоту над Землею, Е_п = - якщо тіло пружно деформоване) і кінетичну E_k = . Потенціальна енергія характеризує взаємодіючі тіла, а кінетична - рухомі. І потенціальна, і кінетична енергії змінюються тільки в результаті такої взаємодії тіл, під час якої сили, що діють на тіла, виконують роботу, відмінну від нуля.

Розглянемо тепер питання про зміну енергії під час взаємодії тіл, що утворюють замкнуту систему. Якщо кілька тіл взаємодіють між собою лише силами тяжіння та силами пружності й ніякі зовнішні сили не діють, то під час будь-яких взаємодій сума кінетичної й потенціальної енергій тіл залишається сталою. Це твердження називають законом збереження енергії в механічних процесах.

Суму кінетичної і потенціальної енергій тіл називають повною механічною енергією (Е = Е_п + Е_к). Тому закон збереження енергії можна сформулювати так: повна механічна енергія замкнутої системи тіл, взаємодіючих силами тяжіння та пружності, залишається сталою: E = const.

Основний зміст закону збереження енергії полягає не лише у встановленні факту збереження повної механічної енергії, а й у встановленні можливості взаємних перетворень кінетичної та потенціальної енергій.

Закон збереження повної механічної енергії у процесах за участю сил пружності і гравітаційних сил є одним з основних законів механіки. Знання цього закону спрощує розв’язання багатьох завдань, що мають практичне значення. Наприклад, для отримання електроенергії широко використовують енергію річок. Із цією метою будують греблі, перегороджують річки. Під дією сил тяжіння вода з водосховища за греблею рухається вниз прискорено і набуває певної кінетичної енергії. Під час зіткнення потоку води 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 діє сила тертя. Автомобіль, що рухався по горизонтальній ділянці дороги, після вимкнення двигуна проходить певний шлях і під дією сил тертя зупиняється. Під час гальмування автомобіля відбулося нагрівання гальмівних колодок, шин автомобіля, асфальту. У результаті дії сил тертя кінетична енергія автомобіля не зникла, а перетворилася у внутрішню енергію теплового руху молекул. Отже, за будь-яких фізичних взаємодій енергія не виникає, а тільки перетворюється з одного виду в інший. Цей експериментально встановлений факт називають законом збереження і перетворення енергії. Джерела енергії на землі великі й різноманітні. У давнину люди знали тільки одне джерело енергії - силу м’язів і силу домашніх тварин. Енергія поновлювалася за рахунок споживання їжі. Тепер більшу частину роботи виконують машини, джерелом енергії для них слугують різні види видобутого палива: кам’яне вугілля, торф, нафта, а також енергія води і вітру.

Усі ці види енергії є енергією сонячних променів. Енергія навколишнього космічного простору акумулюється Сонцем у вигляді енергії атомних ядер, хімічних елементів, електромагнітних і гравітаційних полів. Сонце, у свою чергу, забезпечує Землю енергією у вигляді енергії вітру і хвиль, припливів і відпливів, у формі геомагнетизму, різного виду випромінювань, енергії м’язів тваринного світу.

Геофізична енергія вивільняється у вигляді природних стихійних явищ, обміну речовин у живих організмах, корисної роботи з переміщення тіл, зміни їх структури, якості, передачі інформації, запасання енергії в різного роду акумуляторах, у пружній деформації пружин, мембран.

Будь-які види енергії, перетворюючись одна в одну за допомогою механічного руху, хімічних реакцій і електромагнітних випромінювань, врешті-решт, переходять у тепло і розсіюються в навколишньому просторі. Це явище проявляється у вигляді вибухових процесів, горіння, гниття, плавлення, випаровування, деформації, радіоактивного розпаду.

Відбувається кругообіг енергії у природі, що характеризується не тільки хаотизацією, а й зворотним її процесом - упорядкуванням структури, яке наочно простежується, насамперед, у зореутворенні, трансформації і виникненні нових електромагнітних і гравітаційних полів, і вони знову несуть свою енергію новим «сонячним системам».

Закон збереження механічної енергії сформулював німецький учений Готфрід Лейбніц. Потім німецький учений Юліус Майер, англійський фізик Джеймс Джоуль і німецький учений Генріх Гельмгольц експериментально відкрили закони збереження енергії в немеханічних явищах.

Закон збереження імпульсу. Спокій і рух тіла відносні, швидкість руху залежить від вибору системи відліку. За другим законом Ньютона, незалежно від того, чи перебуває тіло у спокої або рухається рівномірно і прямолінійно, зміна його швидкості руху може відбуватися тільки під дією сили, тобто в результаті взаємодії з іншими тілами.

Є фізична величина, яка однаково змінюється в усіх тіл під дією однакових сил. Вона визначається добутком маси тіла та його швидкості і називають її імпульсом тіла. Імпульс тіла - величина векторна, яка має такий самий напрямок, як і напрямок швидкості руху тіла. Імпульс тіла є кількісною характеристикою поступального руху тіл. Експериментальні дослідження взаємодій різних тіл - від планет та зірок до атомів і електронів, елементарних частинок - показали, що в будь-якій системі взаємодіючих між собою тіл геометрична сума імпульсів цих тіл залишається сталою: = const.

Систему тіл, які не взаємодіють з іншими тілами, що не входять у цю систему, називають замкнутою. Таким чином, у замкнутій системі геометрична сума імпульсів тіл залишається сталою за будь-яких взаємодій тіл цієї системи між собою. Цей фундаментальний закон природи називають законом збереження імпульсу.

Необхідною умовою застосування закону збереження імпульсу до системи взаємодіючих тіл є використання інерціальної системи відліку. На законі збереження імпульсу ґрунтується реактивний рух, його використовують під час розрахунку спрямованих вибухів, наприклад під час прокладання тунелів у горах. Польоти в космос стали можливими завдяки використанню багатоступеневих ракет.

ПРОЯВИ ЗАКОНІВ ЗБЕРЕЖЕННЯ В ТЕПЛОВИХ, ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ, ЯДЕРНИХ ЯВИЩАХ

Закон збереження енергії для теплових процесів. Закон збереження енергії стверджує, що кількість енергії при будь-якому її перетворенні залишається незмінною. Але прагнення до рівноваги означає, що в подій є певний хід: тепло передається від нагрітих тіл до холодних; не може м’яч, що лежить на столі, самостійно почати рухатись, не може тіло нагрітися, якщо йому не передати певної кількості теплоти.

Закон збереження енергії для теплових процесів можна сформулювати так: неможливо перевести теплоту від більш холодної системи до більш гарячої за відсутності інших одночасних змін в обох системах або в оточуючих тілах.

Вивчаючи різні механічні й теплові процеси, можна зробити висновок, що головний фундаментальний закон фізики - це закон збереження енергії. Під час усіх явищ, які відбуваються у природі, енергія не виникає і не зникає, вона тільки перетворюється з одного виду на інший, кількісно залишаючись незмінною.

Уявлення про частинки заряду дають підстави стверджувати, що заряд зберігається. Коли тіла заряджаються шляхом тертя, то заряджені частинки переносяться від одного тіла до іншого. Той заряд, який набуває одне тіло, інше тіло втрачає. Коли пластини електричних терезів заряджаються від батареї гальванічних елементів, то остання переносить заряд від однієї пластини до іншої. Заряди пластин рівні й протилежні за знаком.

За деяких дуже незвичайних обставин можна «створювати» заряджені частинки, але ми побачимо, що вони завжди утворюються парами, і заряд однієї частинки дорівнює за значенням і протилежний за знаком до заряду другої. Іноді природа сама «створює» заряджені частинки, наприклад нейтрон перетворюється у протон і електрон. Повний заряд дорівнює нулю до і після перетворення.

Досліди і наявні дані спостережень показують, що повна кількість заряду ніколи не змінюється. Подібно до закону збереження енергії, збереження заряду є законом природи, що поширюється на всі явища, які ви знаєте.

Отже, під час електризації тіл справджується фундаментальний закон природи, який називають законом збереження електричного заряду. Цей закон справджується лише для електрично ізольованих, або замкнутих, систем, які не обмінюються електричними зарядами з тілами чи частинками, що не входять до цих систем.

У замкнутій системі заряджених тіл алгебраїчна сума зарядів залишається сталою.

Якщо окремі заряди позначити через q₁, q₂, q₃ ... q_n, то

q₁ + q₂ + q₃ + - + q_n = const.

Із цього закону також випливає, що під час взаємодії заряджених тіл не може виникнути чи зникнути заряд тільки одного знака. Виникнення позитивного електричного заряду завжди супроводжується появою такого самого за модулем негативного електричного заряду.

Закон збереження заряду встановив у 1750 р. американський учений і видатний політичний діяч Бенджамін Франклін. Він також уперше ввів поняття про позитивні й негативні електричні заряди, позначивши їх знаками «+» і «-».

Одним з основних законів природи є закон збереження маси та енергії: сумарні маса та енергія, що вступили в реакцію, дорівнюють сумарній масі та енергії продуктів реакції.

По суті, це є універсальний закон, але, як правило, його розділяють на два. Хімія має справу із законом збереження маси, а фізика - із законом збереження енергії.

Закон збереження маси: маса речовин, що вступили в реакцію, дорівнює масі речовин, що утворилися внаслідок реакції.

Цей закон не є точним, адже він не враховує зміну маси під час виділення або поглинання енергії. Однак під час хімічних процесів зміна маси така мізерна, що нею просто нехтують.

Закон збереження та перетворення енергії: енергія не створюється з нічого і нікуди не зникає, а лише перетворюється з одного виду в інший в еквівалентних кількостях.

Залежність між масою та енергією математично виразив Ейнштейн:

Е = mс².

Зміна маси відчутна тільки під час ядерних реакцій, у ході яких виділяється велика кількість енергії.

З точки зору атомно-молекулярної теорії закон збереження маси пояснюють так: під час перебігу хімічних реакцій атоми не зникають і не з’являються, а відбувається їх перегрупування.

Дом.робота:

1. Що таке фундаментальний закон?

2. Які фундаментальні закони ви знаєте?

3. Про що свідчить закон збереження енергії?

4. У чому суть закону збереження імпульсу?

5. У чому суть закону збереження енергії для теплових процесів?

6. Що пояснює закон збереження електричного заряду?

7. Який зміст закону збереження маси речовини?

8. Яку формулу вивів Ейнштейн і про що вона свідчить?