Естествознание
10 класс

§ 37. Наиболее общие законы природы. Законы сохранения

Закон природы — изменяться,
И потому лишь постоянство странно.
Граф Рочестерский

В чем смысл закона сохранения энергии? Какие виды энергии существуют? В чем смысл закона сохранения импульса? Что такое момент импульса? Как проявляется закон сохранения момента импульса?

Урок-лекция

Законы природы изучают различные науки: физика, химия, биология и др. Каждая наука рассматривает законы, применимые только к ограниченному кругу природных явлений. Однако существуют некоторые общие законы природы, которые, как показывает опыт, оказываются справедливыми для любых объектов, для любых явлений и процессов. К таким законам относятся законы сохранения.

Мориц Эшер. Лист Мёбиуса II

Все в мире цепью связано нетленной,
Все включено в один круговорот. .
Л. Кукин

ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ. Одним из понятий, играющих важную роль во всех естественных науках, является понятие энергии.

Общее определение энергии — это способность тела или системы тел совершать работу. (Поскольку одно тело тоже можно рассматривать как систему, далее мы везде будем говорить о системе тел, или просто системе.) При совершении системой работы над внешними по отношению к ней телами ее энергия уменьшается. Если же, наоборот, над системой совершается работа внешними телами, энергия системы увеличивается. Замкнутой системой называют систему, не взаимодействующую с каким бы то ни было окружением. Такая система, естественно, не может совершать какой-либо (положительной или отрицательной) работы над внешними телами.

Следует понимать, что понятие «замкнутая система» есть идеализированное понятие. Любая реальная система всегда взаимодействует с окружением. Однако если совершаемая при этом работа мала, то систему приближенно можно рассматривать как замкнутую.

Энергия замкнутой системы сохраняется, т. е. остается неизменной во времени при любых процессах, происходящих внутри системы.

Энергия может принимать различные виды. В механике различают по тенциальную и кинетическую энергии, которые могут переходить друг в друга, например, при движении брошенного камня. Сумму кинетической и потенциальной энергий называют механической энергией. Механическая энергия может приближенно сохраняться, однако при наличии сил трения или неупругой деформации переходит во внутреннюю энергию. Внутренняя энергия, как вы знаете, есть энергия микрочастиц, составляющих вещество. Обратный процесс — переход внутренней энергии в механическую — происходит в тепловых двигателях.

С электрическими и магнитными силами связана своя энергия, которая в конечном итоге является энергией электромагнитного поля. Эта энергия может переходить во внутреннюю (вспомните закон Джоуля — Ленца). Но источниками тока могут быть гальванические элементы, при действии которых химическая энергия переходит в энергию поля.

Различные виды энергии могут переходить друг в друга при протекании различных процессов.

Внутренняя энергия и химическая энергия связаны с движением микрочастиц и полей. Поэтому на фундаментальном уровне любая энергия сводится к кинетической энергии частиц, составляющих вещество, и энергии фундаментальных полей.

ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ИМПУЛЬСА. Вспомните, что такое импульс и в чем заключается закон сохранения импульса.

Импульс характеризует инерционность поступательного движения тела.

Чем больше импульс тела, тем труднее тело остановить — нужно прикладывать большую силу в течение большего времени. При скоростях, много меньших скорости света, импульс тела равен произведению массы тела на его скорость. Импульс системы тел равен векторной сумме импульсов всех тел, составляющих систему.

Импульс системы изменяется под действием сил. Однако такому изменению способствуют только внешние силы, т. е. силы со стороны тел, не входящих в систему. Внутренние силы не могут изменить импульса системы. Именно поэтому никакой Мюнхгаузен не может вытащить себя за волосы из болота.

Закон сохранения импульса настолько же универсален, как и закон сохранения энергии. В силу этого закона, для того чтобы тело начало двигаться, ему необходимо начать взаимодействовать с какими-то внешними телами, «от чего-то оттолкнуться». В частности, все живые организмы, совершая движение, отталкиваются от поверхности земли, воды или воздуха. В безвоздушном пространстве, где оттолкнуться не от чего, для совершения движения приходится часть системы «сделать внешними телами и оттолкнуться от них». Именно таким образом происходит реактивное движение - газы, вылетающие из двигателя, становятся внешними телами, которым передается импульс. Принцип реактивного движения задолго до появления реактивных двигателей использовали живые организмы. Так, например, каракатица передвигается, выталкивая из себя воду, подобно водометному двигателю, устанавливаемому на катерах.

Для замкнутой системы внешние силы отсутствуют и таким образом импульс замкнутой системы сохраняется, т.е. остаётся неизменным со временем.

Как вы знаете, поля тоже могут обладать импульсом и при взаимодействии с веществом приводить его в движение.

ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ МОМЕНТА ИМПУЛЬСА. Момент импульса характеризует инерционность вращательного движения Простейшим примером вращательного движения является движение планеты по круговой орбите вокруг Солнца. В этом случае момент импульса планеты определяется по формуле L = mvr. Для круговой орбиты и скорость, и радиус остаются неизменными, поэтому сохранение момента импульса очевидно. Однако момент импульса сохраняется и при движении какого-либо космического тела, например кометы, по вытянутой эллиптической орбите. В этом случае момент импульса определяется по формуле L = mvsina, где а — угол между вектором скорости тела и направлением на Солнце (рис. 51).

Рис. 51. Определение момента импульса кометы

Из закона сохранения момента импульса следует, что при приближении кометы к Солнцу (r уменьшается) скорость кометы увеличивается.

Момент импульса системы тел определяется как сумма моментов импульса каждого из тел.

Закон сохранения момента импульса позволяет фигуристу быстро увеличить скорость вращения, прижимая руки к телу. (Попробуйте объяснить это самостоятельно, используя выражение для момента импульса.)

Огромную роль играет закон сохранения момента импульса в процессах, происходящих в микромире. Все частицы микромира, как составные, так и элементарные, обладают моментом импульса. Причем у элементарных частиц момент импульса, связанный с «вращением вокруг своей оси», который называется спином, всегда кратен значению р/(4п). Кавычки в данном случае означают, что это вращение нельзя наблюдать иначе как только через проявление момента импульса. Закон сохранения момента импульса в значительной степени ограничивает разнообразие химических и ядерных реакций.

Момент импульса сохраняется для замкнутой системы или в случае, когда внешние силы, действующие на тела системы, направлены к какому-либо центру.

ДРУГИЕ ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ. Из курса физики вы знаете, что полный электрический заряд замкнутой системы сохраняется. Этот закон также является фундаментальным законом природы.

Помимо точных законов сохранения, существуют и законы сохранения, выполняющиеся лишь приближенно. Например, масса вещества до реакции лишь приблизительно равна массе вещества после реакции.

Законы сохранения, такие, как закон сохранения энергии, закон сохранения импульса, закон сохранения момента импульса, закон сохранения заряда, являются фундаментальными законами природы. Им подчиняются все природные процессы.

  • Может ли энергия сохраняться в незамкнутой системе?
  • Как, используя закон сохранения импульса, объяснить трудность движения по скользкому льду?
  • При некоторых прыжках с вышки в воду спортсмен вначале, группируясь, быстро вращается, а затем распрямляется, и вращение замедляется. Объясните рациональность движений спортсмена.

Рейтинг@Mail.ru