Реферат: Статистические и динамические закономерности в природе

2.3. Закон сохранения импульса

Покой и движения тела относительны, скорость дви­жения зависит от выбора системы отсчета. По второму закону Ньютона, независимо от того, находилось ли тело в покое, или двигалось равномерно и прямолинейно, из­менение его скорости движения может происходить толь­ко под действием силы, т.е. в результате взаимодействия с другими телами.

Имеется физическая величина, одинаково изменяю­щаяся у всех тел под действием одинаковых сил, если время действия силы одинаково, равная произведению массы тела на его скорость и называемая импульсом тела. Изменение импульса равно импульсу приложенной силы. Импульс тела является количественной характеристикой поступательного движения тел.

Экспериментальные исследования взаимодействий различных тел — от планет и звезд до атомов и электро­нов, элементарных частиц — показали, что в любой системе взаимодействующих между собой тел при отсут­ствии действия сил со стороны других тел, не входящих в систему, или равенстве нулю суммы действующих сил геометрическая сумма импульсов тел остается постоян­ной.

Система тел, не взаимодействующих с другими тела­ми, не входящими в эту систему, называется замкнутой. Таким образом, в замкнутой системе геометрическая сум­ма импульсов тел остается постоянной при любых взаи­модействиях тел этой системы между собой. Этот фунда­ментальный закон природы называется законом сохране­ ния импульса.

Необходимым условием применимости закона сохра­нения импульса к системе взаимодействующих тел явля­ется использование инерциальной системы отсчета. На законе сохранения импульса основано реактивное дви­жение, его используют при расчете направленных взры­вов, например, при прокладке туннелей в горах. Полеты в космос стали возможными благодаря использованию многоступенчатых ракет.

2.4. Закон сохранения заряда

Не все явления природы можно понять и объяснить на основе использования понятий и законов механики, молекулярно-кинетической теории строения вещества, термодинамики. Эти науки ничего не говорят о природе сил, которые связывают отдельные атомы и молекулы, удерживают атомы и молекулы вещества в твердом состоянии на определенном расстоянии друг от друга. За­коны взаимодействия атомов и молекул удается понять и объяснить на основе представлений о том, что в природе существуют электрические заряды.

Самое простое и повседневное явление, в котором обнаруживается факт существования в природе электри­ческих зарядов, — это электризация тел при соприкосно­вении. Взаимодействие тел, обнаруживаемое при элект­ризации, называется электромагнитным взаимодействием, а физическая величина, определяющая электромагнит­ное взаимодействие, — электрическим зарядом. Способ­ность электрических зарядов притягиваться и отталки­ваться говорит о наличии двух различных видов зарядов: положительных и отрицательных.

Электрические заряды могут появляться не только в результате электризации при соприкосновении тел, но и при других взаимодействиях, например, под воздействи­ем силы (пьезоэффект). Но всегда в замкнутой системе, в которую не входят заряды, при любых взаимодействи­ях тел алгебраическая (т.е. с учетом знака) сумма элект­рических зарядов всех тел остается постоянной. Этот эк­спериментально установленный факт называется законом сохранения электрического заряда.

Нигде и никогда в природе не возникают и не исче­зают электрические заряды одного знака. Появление по­ложительного заряда всегда сопровождается появлением равного по абсолютному значению, но противополож­ного по знаку отрицательного заряда. Ни положитель­ный, ни отрицательный заряды не могут исчезнуть в отдельности друг от друга, если равны по абсолютному зна­чению.

Появление и исчезновение электрических зарядов на телах в большинстве случаев объясняется переходами элементарных заряженных частиц — электронов — от одних тел к другим. Как известно, всостав любого атома входят положительно заряженные ядро и отрицатель­но заряженные электроны. В нейтральном атоме сум­марный заряд электронов в точности равен заряду атом­ного ядра. Тело, состоящее из нейтральных атомов и молекул, имеет суммарный электрический заряд, рав­ный нулю.

Если в результате какого-либо взаимодействия часть электронов переходит от одного тела к другому, то одно тело получает отрицательный электрический заряд, а вто­рое — равный по модулю положительный заряд. При соприкосновении двух разноименно заряженных тел обычно электрические заряды не исчезают бесследно, а избыточное число электронов переходит с отрицатель­но заряженного тела к телу, у которого часть атомов имела не полный комплект электронов на своих обо­лочках.

Особый случай представляет встреча элементарных заряженных античастиц, например, электрона и позит­рона. В этом случае положительный и отрицательный электрические заряды действительно исчезают, анниги­лируют, но в полном соответствии с законом сохранения электрического заряда, так как алгебраическая сумма за­рядов электрона и позитрона равна нулю.

2.5. Закон сохранения энергии в механических процессах

Механическая энергия подразделяется на два вида: потенциальную и кинетическую. Потенциальная энер­гия характеризует взаимодействующие тела, а кинети­ческая — движущиеся. И потенциальная и кинетическая энергии изменяются только в результате такого взаимо­действия тел, при котором действующие на тела силы совершают работу, отличную от нуля.

Рассмотрим теперь вопрос об изменении энергии при взаимодействии тел, образующих замкнутую систему. Если несколько тел взаимодействуют между собой толь­ко силами тяготения и силами упругости и никакие вне­шние силы не действуют, то при любых взаимодействи­ях тел сумма кинетической и потенциальной энергий тел остается постоянной. Это утверждение называется зако­ном сохранения энергии в механических процессах.

Сумма кинетической и потенциальной энергий тел называется полной механической энергией. Поэтому закон сохранения энергии можно сформулировать так: пол­ная механическая энергия замкнутой системы тел, взаимо­действующих силами тяготения и упругости, остается по­стоянной.

Основное содержание закона сохранения энергии за­ключается не только в установлении факта сохранения полной механической энергии, но и в установлении воз­можности взаимных превращений кинетической и по­тенциальной энергий в равной количественной мере при взаимодействии тел.

Геофизическая энергия высвобождается в виде при­родных стихийных явлений (вулканизм, землетрясения, грозы, цунами и т.д.), обмена веществ в живых организ­мах (составляющих основу жизни), полезной работы по перемещению тел, изменению их структуры, качества, передачи информации, запасения энергии в различного рода аккумуляторах, конденсаторах, в упругой деформа­ции пружин, мембран.

Любые формы энергии, превращаясь друг в друга по­средством механического движения, химических реакций и электромагнитных излучений, в конце концов перехо­дят в тепло и рассеиваются в окружающее пространство. Это явление проявляется в виде взрывных процессов, горения, гниения, плавления, испарения, деформации, радиоактивного распада. Происходит круговорот энер­гии в природе, характеризующийся тем, что в космиче­ском пространстве реализуется не только хаотизация, но и обратный ей процесс — упорядочивание структуры, которые наглядно прослеживаются прежде всего в звез­дообразовании, трансформации и возникновении новых электромагнитных и гравитационных полей, и они сно­ва несут свою энергию новым «солнечным системам». И все возвращается на круги своя.

Таким образом, к середине XIX в. оформились зако­ны сохранения массы и энергии, которые трактовались как законы сохранения материи и движения. В начале XX в. оба эти закона сохранения подверглись коренному пере­смотру в связи с появлением специальной теории отно­сительности: при описании движений со скоростями, близкими к скорости света, классическая ньютоновская механика была заменена релятивистской механикой. Оказалось, что масса, определяемая по инерциальным свойствам тела, зависит от его скорости и, следователь­но, характеризует не только количество материи, но и ее движение. Понятие энергии тоже подверглось изме­нению: полная энергия оказалась пропорциональна мас­се (Е = mс² ). Таким образом, закон сохранения энергии в специальной теории относительности естественным об­разом объединил законы сохранения массы и энергии, существовавшие в классической механике. По отдельно­сти эти законы не выполняются, т.е. невозможно оха­рактеризовать количество материи, не принимая во вни­мание ее движение и взаимодействие.

Эволюция закона сохранения энергии показывает, что законы сохранения, будучи почерпнутыми из опыта, нуждаются время от времени в экспериментальной про­верке и уточнении. Нельзя быть уверенным, что с рас­ширением пределов человеческого познания данный закон или его конкретная формулировка останутся спра­ведливыми. Закон сохранения энергии, все более уточ­няясь, постепенно превращается из неопределенного и абстрактного высказывания в точную количественную форму.

Глава 3. Динамические и статистические законы

Все физические законы делятся на две большие груп­пы: динамические и статистические.

Динамическими называют законы, отражающие объек­тивную закономерность в форме однозначной связи фи­зических величин. Динамическая теория — это теория, представляющая совокупность физических законов.

Статистические законы — это такие законы, когда любое состояние представляет собой вероятностную ха­рактеристику системы. Здесь действуют статистические распределения величин. Это означает, что в статисти­ческих теориях состояние определяется не значениями физических величин, а их распределениями. Нахожде­ние средних значений физических величин — главная задача статистических теорий. Вероятностные характе­ристики состояния совершенно отличны от характерис­тик состояния в динамических теориях. Статистические законы и теории являются более совершенной формой опи­сания физических закономерностей, так как любой извес­тный сегодня процесс в природе более точно описыва­ется статистическими законами, чем динамическими. Различие между ними в одном — в способе описания состояния системы.

Смена динамических теорий статистическими не оз­начает, что старые теории отменены и сданы в архив. Практическая их ценность в определенных границах ни­сколько не умаляется. При разговоре о смене теорий име­ется в виду, в первую очередь, смена глубоких физичес­ких представлений более глубокими представлениями о сущности явлений, описание которых дается соответству­ющими теориями. Одновременно со сменой физических представлений расширяется область применения теории. Статистические теории расширяются на больший круг яв­лений, недоступных динамическим теориям.

3.1. Особенности описания состояний в статистических теориях

Согласно общепринятой терминологии под динамическими закономерностями (или теориями) понимаются закономерности, в которых связи всех физических величин однозначны. В статистических закономерностях (или теориях) однозначно связаны только вероятности определенных значений тех или иных физических величин, а связи между самими величинами неоднозначны. Общность этих теорий проявляется, прежде всего, в том, что все они вводят в качестве основного понятия состояние физической системы. Различие же между ними - в определении этого состояния. Например, в классической механике, являющейся динамической теорией, состояние задается координатами и импульсами материальных точек. В другой динамической теории - классической (феноменологической, эмпирической) термодинамике - состояние системы определяется давлением, объемом и температурой некоторой массы вещества. Эволюция этих состояний описывается соответствующими уравнениями - уравнением движения (в форме второго закона Ньютона) в механике и уравнениями переноса в термодинамике неравновесных процессов.