Учебно-методическое пособие Омск Издательство Сибади 2005 (стр. 5 из 18)

Объективным выражением абсолютности материи является закон сохранения материи и движения. Исторически это первый из законов сохранения, познанных человеком.

Формирование понятия массы и формулирование закона ее сохранения становятся необходимыми на основании не только непосредственного изучения свойств вещества, но и общих философских соображений о неуничтожимости всего сущего, являющихся результатом обобщения всей суммы положительных знаний, подтвержденных общественной практикой. Впервые в истории в 1756 г. М. Ломоносовым экспериментально было доказано сохранение массы при химических реакциях.

Следующий шаг к раскрытию понятия массы был сделан Ньютоном, когда он, анализируя процесс движения макроскопических тел, открыл три основных закона механики.

Созданная в начале ХХ в. А.Эйнштейном теория относительности показала, что зависимость от скорости имеет масса любого происхождения.

Вторым очень важным для теории и практики является закон сохранения и превращения энергии. Этот закон был как бы итогом развития механики. Благодаря практике, экспериментальным и теоретическим исследованиям, все больше раскрывалось его глубокое содержание как всеобщего закона природы.

В классической механике, кроме скалярного интеграла движения – энергии, возможны два векторных: импульс и момент количества движения. Закон сохранения импульса (или какой-либо его проекции) справедлив для изолированной системы (или при наличии направления, в котором слагающая поля равна нулю).

Закон сохранения момента количества движения справедлив для изолированной системы или для системы в поле центральной силы (т.е. если момент сил, действующих на систему, равен нулю).

История открытия законов механики и развития отвечающих им понятий, как и история закона сохранения и превращения энергии, неразрывно связана с развитием материально-технической вооруженности человеческого общества и общего уровня естественно-научных знаний. Однако оба они имеют более ограниченную сферу макроскопического проявления, чем закон сохранения энергии, и потому представление об их всеобщности стало возможным лишь с развитием электродинамики, кинетической теории и статистической физики, теории относительности и, наконец, квантовой механики. Чем же объясняется столь существенное значение, которое имеют именно перечисленные интегралы движения механики? Действительно, у механической системы с n степенями свободы всегда имеется (2n-1) интегралов движения. Однако не все они равнозначны. Среди них имеются величины, обладающие тем свойством, что их сумма по всем свободно движущимся телам как до их взаимодействия, так и после, одна и та же и не зависит от конкретной природы имевшего место взаимодействия. Таких независимых интегралов всего семь: энергия, три компоненты импульса и три компоненты момента количества движения.

Подобно тому, как уравнения Ньютона приводили к механическим законам сохранения, из уравнений Максвелла непосредственно получается закон сохранения энергии в электродинамике – так называемая теорема Пойтинга. Однако в изучении электрических явлений с самого начала ведущее место принадлежало понятию заряда. С открытием электрохимического эквивалента устанавливается дискретная структура электричества и начинается познание нового фундаментального закона природы – закона сохранения заряда.

В начале ХХ в. фундаментальными основами физики и всего естествознания являлись два самостоятельных закона сохранения: массы и энергии. Открытый А.Эйнштейном закон взаимосвязи массы и энергии явился одним из конкретных выражений единства и неразрывности материи и движения: Е=mc².

Принципы современной физики - это общие законы, влияющие на все физические процессы и все формы движения материи. Среди всей группы физических принципов важнейшим является принцип симметрии, на основе которого действуют законы сохранения физических величин.

Симметрия широко распространена в природе и жизни человека. Кристаллы, молекулы пространственных, оптических изомеров, живые организмы обладают симметрией. На симметрии во многом основывается такое явление, как красота. Симметрия в физике - это свойство физических величин, детально описывающих поведение систем, оставаться неизменными при определенных преобразованиях. Во многих случаях из принципов симметрии логически следуют законы сохранения.

В физике различают следующие пространственно-временные симметрии:

1) объективная равноправность всех моментов времени - время однородно и любой момент времени можно взять за начало отсчета (из этого вытекает закон сохранения энергии);

2) однородность пространства, т. е. равноправие всех его точек, сдвиг в пространстве какой-либо системы не влияет на процессы внутри нее (из этой симметрии вытекает закон сохранения импульса);

3) изотропность пространства, т. е. одинаковость его свойств по всем направлениям (из этого следует закон сохранения момента импульса);

4) принцип относительности, определяющий одинаковость законов природы во всех системах отсчета (из него вытекает сохранение скорости движения центра масс);

5) обратимость процессов во времени - действует только на уровне макромира - фундаментальные физические законы не изменяются при обращении знака времени; на уровне микромира наблюдается необратимость процессов;

6) зеркальная симметрия природы - не изменяет физических законов любого природного объекта.

Зеркальная симметрия и зарядовое сопряжение сохраняется только при сильных и электромагнитных взаимодействиях, тогда как остальные симметрии выполняются при любых взаимодействиях.

История физики свидетельствует, что когда уже открыты законы, лежащие в основе того или иного принципа, т.е. когда уже создается научная теория, эти принципы легко выводятся как следствие из данной теории, из данных законов. Принцип невозможности построения вечного двигателя первого рода вытекает из закона сохранения и превращения энергии, принцип необратимости – из закона монотонного возрастания энтропии.

В общем случае принципы физики являются определенной формой обобщения опытных фактов, ведущей к раскрытию законов физических явлений. Одна из разновидностей принципов физики – принципы «запрета», основывающиеся на опытных фактах и служащие первой ступенью в познании законов физических явлений. Принципы «запрета» представляют для нашего познания своего рода правила научной корректности при «разговоре» с природой о ее «тайнах». По сути дела, принципы «запрета» определяют, что не может происходить в природе.

Контрольные вопросы

1.О неуничтожимости и несотворимости материи. Масса и закон ее сохранения.

2.Кинетическая и потенциальная энергии. Закон сохранения и превращения энергии как одна из форм выражения неуничтожимости материи.

3.Импульс тела (системы). Закон сохранения импульса. Практическое применение.

4.Момент количества движения тела (системы). Закон сохранения момента количества движения.

5.Закон сохранения энергии в электродинамике. Закон сохранения заряда.

6.Закон взаимосвязи массы и энергии – дальнейшая естественно-научная конкретизация положения о неуничтожимости материи и движения.

7.Законы сохранения в современной физике.

Библиографический список

Основной:

[1, гл. 7, гл. 9];

[2, разд. 1, гл. 4, §1-7; гл. 8, § 6];

[3, гл. 3, § 3.6, 3.8-3.9].

Дополнительный: [8, 12, 22, 25, 45, 55, 67].

Семинар 5. ПОРЯДОК И БЕСПОРЯДОК В ПРИРОДЕ.

ДИНАМИЧЕСКИЕ И СТАТИСТИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ. ЭНТРОПИЯ

Все окружающие нас тела состоят из атомов и молекул. В твердых телах атомы и молекулы располагаются в строго определенном порядке. В газах молекулы движутся хаотически. Существуют также вещества, в которых порядок и беспорядок сосуществуют: жидкости, аморфные тела, жидкие кристаллы. Состояние любой термодинамической системы в целом определяется набором параметров: температурой, давлением, объемом. Однако эти параметры не описывают поведение атомов и молекул, из которых состоит система. Отчасти это затруднено большим числом компонент, их малыми размерами и невозможностью наблюдения.

Вопросами поведения отдельных частей термодинамической системы занимается статистическая физика. Движение молекул в газе является случайным процессом, поэтому для описания таких систем пользуются двумя методами: статистическим и вероятностным. Каждый из них имеет свои преимущества, вместе они позволяют наиболее полно ответить на вопросы о распределении молекул по скоростям и энергиям, о вероятности нахождения системы в определенном состоянии и развитии термодинамической системы при изменении внешних параметров.

Введение в термодинамику понятия температуры иногда причисляют к нулевому началу термодинамики. Соотношение, связывающее внутреннюю энергию DU с теплотой Q и работой A, носит название первого начала термодинамики, или закона сохранения энергии:

Q=DU+A.

Из первого начала термодинамики следует важный вывод: невозможен вечный двигатель первого рода, т.е. такой, который совершал бы работу «из ничего», без внешнего источника энергии. При наличии внешнего источника часть энергии неизбежно переходит в энергию теплового, хаотического движения молекул, что и является причиной невозможности полного превращения энергии внешнего источника в полезную работу.