Фундаментальные физические законы - самое полное, но приближенное отражение объективных процессов в природе. Разные формы движения материи описываются разными фундаментальными теориями. Каждая из этих теорий описывает полностью определенные явления: механическое или тепловое движение, электромагнитные явления.
Законы сохранения - утверждения, согласно которым числовые значения этих величин не меняются со временем в любых процессах.
Идея сохранения появилась сначала как сугубо философская точка зрения о наличии неизменного, стабильного в вечно переменчивом мире. Еще античные философы-материалисты пришли к понятию материи как неуничтожимой и несоздаваемой. С другой стороны, наблюдение постоянных изменений в природе приводило к представлению о вечном движении материи как важном ее свойстве. С появлением материалистической формулировки механики на этой основе появились законы сохранения.
Самыми важными законами сохранения, которые выполняются для любых изолированных систем, являются закон сохранения энергии и закон сохранения импульса.
Закон сохранения энергии в механических процессах. Механическая энергия разделяется на два вида: потенциальную (Еп - mgh - если тело
поднято на определенную высоту над Землей,
если тело упру
го деформировано) и кинетическую
И потенциальная, и кинетическая энергии изменяются только в результате такого взаимодействия тел, при котором силы, действующие на тела, выполняют работу, отличающуюся от нуля.
Рассмотрим теперь вопрос об изменении энергии при взаимодействии тел, образующих замкнутую систему. Если несколько тел взаимодействуют между собой лишь силами тяготения и силами упругости и никакие внешние силы не действуют, то при любых взаимодействиях сумма кинетической и потенциальной энергий тел остается постоянной. Это утверждение называют законом сохранения энергии в механических процессах.
Сумму кинетической и потенциальной энергий тел называют полной механической энергией (Е - Еп + Ек). Поэтому закон сохранения энергии
можно сформулировать следующим образом: полная механическая энергия замкнутой системы тел, взаимодействующих силами притяжения и упругости, остается постоянной: Е = const. 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.
Закон сохранения полной механической энергии в процессах при участии сил упругости и гравитационных сил является одним из основных законов механики. Знание данного закона упрощает решение многих задач, имеющих практическое значение. Например, для получения электроэнергии широко используют энергию рек. С этой целью строят плотины, перегораживают реки. Под действием сил притяжения вода из водохранилища по плотине движется вниз ускоренно и приобретает определенную кинетическую энергию. При столкновении потока воды с лопатками гидравлической турбины происходит превращение кинетической энергии поступательного движения воды в кинетическую энергию вращательного движения роторов турбины, а потом с помощью электрического генератора - в электрическую энергию.
Механическая энергия не сохраняется, если между телами действует сила трения. Автомобиль, движущийся по горизонтальному участку дороги, после выключения двигателя проходит определенный путь и под действием сил трения останавливается. При торможении автомобиля происходит нагревание тормозных колодок, шин автомобиля, асфальта. В результате действия сил трения кинетическая энергия автомобиля не исчезла, а превратилась во внутреннюю энергию теплового движения молекул. Следовательно, при любых физических взаимодействиях энергия не возникает, а только превращается из одного вида в другой. Этот экспериментально установленный факт называют законом сохранения и превращения энергии. Источники энергии на Земле большие и разнообразные. В давние времена люди знали только один источник энергии - силу мышц и силу домашних животных. Энергия возобновлялась за счет потребления еды.
Энергия окружающего космического пространства аккумулируется Солнцем в виде энергии атомных ядер, химических элементов, электромагнитных и гравитационных полей. Солнце, в свою очередь, обеспечивает Землю энергией в виде энергии ветра и волн, приливов и отливов, в форме геомагнетизма, разного вида излучений, энергии мышц животного мира.
Геофизическая энергия высвобождается в виде природных стихийных явлений, обмена веществ в живых организмах, полезной работы по перемещению тел, изменения их структуры, качества, передачи информации, запаса энергии в разного рода аккумуляторах, в упругой деформации пружин, мембран.
Любые виды энергии, превращаясь друг в друга с помощью механического движения, химических реакций и электромагнитных излучений, в конце концов, переходят в тепло и рассеиваются в окружающем пространстве. Это явление проявляется в виде взрывных процессов, горения, гниения, плавления, испарения, деформации, радиоактивного распада.
Происходит кругооборот энергии в природе, который характеризуется не только хаотичностью, но и обратным ей процессом — упорядочиванием струк
туры, которые наглядно прослеживаются, в первую очередь, в звездообразовании, трансформации и возникновении новых электромагнитных и гравитационных полей, и они опять несут свою энергию новым «солнечным системам».
Закон сохранения механической энергии сформулировал немецкий ученый Готфрид Лейбниц. Потом немецкий ученый Юлиус Майер, английский физик Джеймс Джоуль и немецкий ученый Генрих Гельмгольц экспериментально открыли законы сохранения энергии в немеханических явлениях.
Закон сохранения импульса. Покой и движение тела относительны, скорость движения зависит от выбора системы отсчета. Согласно второму закону Ньютона, независимо от того, находится ли тело в покое или движется равномерно и прямолинейно, изменение его скорости движения может происходить только под действием силы, то есть в результате взаимодействия с другими телами.
Есть физическая величина, которая одинаково изменяется у всех тел под действием одинаковых сил. Она определяется произведением массы тела и его скорости и называется импульсом тела. Импульс тела — величина векторная, сонаправленная со скоростью движения тела. Импульс тела является количественной характеристикой поступательного движения тел. Экспериментальные исследования взаимодействия разных тел - от планет и звезд до атомов и электронов, элементарных частиц - показали, что в любой системе взаимодействующих между собой тел геометрическая сумма импульсов этих тел остается постоянной:
Систему тел, невзаимодействующих с другими телами, невходящими в эту систему, называют замкнутой. Таким образом, в замкнутой системе геометрическая сумма импульсов тел остается постоянной при любых взаимодействиях тел этой системы между собой. Этот фундаментальный закон природы называют законом сохранения импульса.
Необходимым условием применения закона сохранения импульса к системе взаимодействующих тел является использование инерциальной системы отсчета. На законе сохранение импульса основывается реактивное движение, его используют при расчете направленных взрывов, например при прокладке тоннелей в горах. Полеты в космос стали возможными благодаря использованию многоступенчатых ракет.
ВОПРОСЫ К ИЗУЧЕННОМУ
1. Что такое фундаментальный закон?
2. Какие фундаментальные законы вам известны?
3. О чем свидетельствует закон сохранения энергии?
4. В чем суть закона сохранения импульса?
Это материал учебника Физика 9 класс Сиротюк