Урок 12. Фундаментальные поля как составляющие материи
Предмет: Естествознание, 10 класс

Конспект урока

Естествознание, 10 класс

Урок 12. Фундаментальные поля как составляющие материи

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:

Что такое фундаментальные взаимодействия и фундаментальные поля?
Как описываются фундаментальные взаимодействия с помощью поля?
Почему фундаментальные поля можно считать одной из составляющих материи?

Глоссарий по теме:

Фундаментальное взаимодействие – тип физического взаимодействия, который не сводится к другим взаимодействиям.

Концепция дальнодействия - совокупность представлений, согласно которым действие одного тела на другое передается мгновенно через пустоту на сколь угодно большие расстояния. Открытие электромагнитного поля показало, что концепция дальнодействия неверна.

Концепция близкодействия - совокупность представлений, согласно которым взаимодействие между удаленными телами происходит при участии промежуточной среды (поля) не превышая скорости света.

Гравитационное взаимодействие – универсальное фундаментальное взаимодействие между всеми материальными телами, имеющими массу.

Гравитационное поле – одно из физических полей, через которое осуществляется гравитационное взаимодействие.

Пробное тело – физическая модель, обладающая массой (остальными параметрами можно пренебречь) не влияющая на систему; применяется для измерения величины гравитационного взаимодействия.

Электромагнитное взаимодействие – тип фундаментального взаимодействия, в котором участвуют заряженные частицы.

Электромагнитное поле – одно из физических полей, через которое осуществляется электромагнитное взаимодействие.

Пробный заряд - физическая модель, обладающая зарядом (размером можно пренебречь), не оказывающая влияние на систему; применяется для измерения величины электромагнитного взаимодействия.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

Естествознание. 10 класс [Текст]: учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень / И.Ю. Алексашина, К.В. Галактионов, И.С. Дмитриев, А.В. Ляпцев и др. / под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд., испр. – М.: Просвещение, 2017. : с 53 -58.
Универсальная научно-популярная энциклопедия «Кругосвет» http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/fizika/CHASTITSI_ELEMENTARNIE.html?page=0%2C1
Фундаментальные взаимодействия И.Л.Бухбиндер: http://nuclphys.sinp.msu.ru/mirrors/fi.htm

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Фундаментальное взаимодействие

Взаимосвязь материальных объектов проявляется прежде всего в том, что они взаимодействуют друг с другом, т.е. воздействуют друг на друга. Взаимодействие между телами характеризуется некоторой силой.

В повседневной жизни мы встречаемся с разнообразными силами. Мы можем наблюдать силу ветра, мы прикладываем мускульную силу, чтобы поднять и перенести тяжести. Электрическая сила заставляет двигаться электропоезда. В курсе физики вы знакомились с силами упругости и трения.

Если посмотреть на структуру вещества, то эти взаимодействия можно представить как взаимодействие между молекулами и атомами. А, например, силы трения и силы упругости - как результат взаимодействия между электронами и ядрами. При этом, такие взаимодействия как гравитационные и электромагнитные нельзя уже свести к каким-то другим взаимодействиям.

Для характеристики взаимодействий, которые не сводятся к другим взаимодействиям, используют понятие фундаментальные (основные).

Таким образом, все перечисленные выше силы — лишь разные проявления этих фундаментальных сил, или взаимодействий.

Современная наука выделяет четыре типа фундаментальных взаимодействий:

Гравитационное;
Электромагнитное;
Сильное;
Слабое.

Заметим, что два последних проявляются на расстояниях соизмеримых с размером ядра, т.е. их действие распространяется на сверхмалых расстояниях.

Как описать фундаментальное взаимодействие

Чтобы понять, как воздействует одно тело на другое с помощью фундаментального взаимодействия, нужно уяснить какими характеристиками они обладают. Можно выделить два подхода к описанию фундаментальных взаимодействий: концепция дальнодействия и концепция близкодействия.

По концепции дальнодействия, зародившейся в рамках классической механики, считается, что все взаимодействия между телами осуществляются через пустое пространство на любое расстояние мгновенно, так как скорость света в классической механике принята за бесконечность.

Согласно второй концепции, все взаимодействия передаются при помощи тех или иных полей, непрерывно распространяющихся в пространстве. Согласно современным взглядам, не существует взаимодействий, в том числе фундаментальных, которые распространяются быстрее света (согласно общей теории относительности).

Рассмотрим описание взаимодействия частиц при помощи поля на примере гравитационного и электромагнитного взаимодействий.

Гравитационное поле

В курсе физики вы изучали закон всемирного тяготения: все тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.

Оно универсально, т.е. осуществляется между любыми объектами, имеющими гравитационные свойства, которые характеризуются такой величиной как масса. Гравитационное взаимодействие – самое слабое и существенно лишь для тел с большими массами. Действуя и в микромире, оно играет основную роль лишь в макромире и особенно в мегамире.

Рассмотрим гравитационное взаимодействие на примере пробного тела в Солнечной системе, обозначив его массу через m (не путать с весом). В соответствии с законом всемирного тяготения на него действуют все тела Солнечной системы с силой притяжения, равной векторной сумме всех этих сил (g – суммарная гравитационная сила). Поскольку каждая из отдельных сил пропорциональна массе m, то суммарную силу можно описать формулой:

Векторная величина зависит от расстояния до других тел Солнечной системы (координат), т.е. является характеристикой поля - гравитационного. Такие рассуждения применимы и для других космических систем независимо от размера. К слову, величина вблизи поверхности Земли – знакомое нам ускорение свободного падения.

Поэтому действие гравитационных сил, создаваемое некоторой системой тел и действующее на пробное тело, можно представить как действие гравитационного поля, создаваемого всеми телами (за исключением пробного) на пробное тело.

Электромагнитное поле

Подобные рассуждения можно сделать и для электрического поля. Используя в этом случае закон Кулона: сила взаимодействия двух пробных зарядов в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Тогда, , где сила системы заряженных тел, q – пробный заряд, – напряженность электрического поля (является характеристикой поля).

Таким образом, система заряженных тел действует на пробный заряд с определенной силой как электрическое поле.

При этом стоит отметить, что если заряды перейдут в движение, то кроме электрических сил, начинают действовать и магнитные силы. Если принять во внимание относительность механического движения, тогда кажется правомерным вывод, что эти силы связаны между собой.

Действительно, опыты показывают, что существует единая электромагнитная сила, действующая между зарядами - единое электромагнитное поле, которое представляет собой совокупность двух полей — электрического и магнитного. В различных системах отсчета исчезает электрическая или магнитная составляющая электромагнитного поля.

Фундаментальные поля как часть материи

Стоит отметить, что уже описанные фундаментальные взаимодействия (гравитационное и электромагнитное), а также сильное и слабое взаимодействия осуществляются на элементарном уровне.

Все фундаментальные взаимодействия имеют такие характеристики: энергия и инерция. Если поле не считать материальным, то следовало бы признать, что энергия и импульс не связаны с чем-то материальным и сами по себе переносятся через пространство. Из этого следует, что существуют определенные переносчики полевого взаимодействия. В процессе взаимодействия физический объект испускает частицы - переносчики взаимодействия, которые поглощаются другим физическим объектом.

Появление квантовой теории поля дополнило представление о взаимодействиях. Она показала, что при любом взаимодействии происходит обмен особыми частицами - переносчиками взаимодействия, или квантами соответствующего поля. В частности, для электромагнитного взаимодействия таким переносчиком является фотон. Для гравитационного взаимодействия предполагают – гравитон.

В космических масштабах такие наблюдения более наглядны. Так, луч света (электромагнитное взаимодействие) от Солнца доходит до Земли за 8 минут, а от Полярной звезды — за 472 года, т.е. мы видим сейчас Полярную звезду такой, какой она была во времена Колумба.

Резюме теоретической части:

Взаимосвязь материальных объектов проявляется прежде всего в том, что они взаимодействуют друг с другом. При этом, не существует одного универсального вида взаимодействия, а имеются четыре вида взаимодействий, которые осуществляются посредством соответствующих полей, являющихся их материальным носителями. Такими взаимодействиями являются: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое.

Конечность скорости распространения фундаментальных полей и перенос энергии и импульса этими полями позволяют признать их одной из составляющих материи.

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:

Задание 1. В макромире в области масштабов от радиуса атома до нескольких километров наиболее эффективным является … взаимодействие.

а) сильное

б) электромагнитное

в) слабое

г) гравитационное

Пояснение: правильный ответ – «б». Поскольку сильное и слабое взаимодействие проявляются в масштабах, соотносимых с размером ядра. При этом гравитационное взаимодействие является очень слабым взаимодействием, суммируется и проявляется при огромных массах, поэтому на уровне атомов гравитационными силами пренебрегают.

Задание 2. Соотнесите, какие из утверждений относятся к электромагнитному, а какие – к гравитационному взаимодействию.

а) частица-переносчик – фотон;

б) частица-переносчик – гравитон;

в) обеспечивает взаимодействие абсолютно всех частиц;

г) обеспечивает взаимодействие электрически заряженных частиц;

д) действует на расстояниях соизмеримых с размером ядра атома;

е) распространяется со скоростью света.

Ответ:

Электромагнитное взаимодействие: а, г, е.

Гравитационное взаимодействие: б, в, е.

Пояснение: ответ «д» является характеристикой сильного взаимодействия, т.е. не соответствует ни одному из рассматриваемых взаимодействий.