Урок 23. Наиболее общие законы природы. Законы сохранения
Предмет: Естествознание, 10 класс

Конспект урока

Естествознание, 10 класс

Урок 23. Наиболее общие законы природы. Законы сохранения

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:

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.

Глоссарий по теме:

Энергия (от др.-греч. ἐνέργεια — действие, деятельность, сила, мощь) – это универсальная мера различных форм движения и взаимодействия. Энергия - это характеристика состояния тела или системы тел, зависящие от параметров состояния, её изменение определяется работой.

Работа – физическая величина, характеризующая количество энергии, переданной или полученной системой путём изменения её внешних параметров.

Кинетическая энергия - характеризует движение тела. Это векторная физическая величина. Она равна нулю, когда тело неподвижно.

Потенциальная энергия – это энергия, обусловленная взаимным расположением тел и характером их взаимодействия. потенциальная энергия всегда характеризует тело относительно источника силы (силового поля). Например, потенциальная энергия гравитационного поля, электромагнитного поля, упругая деформация и др.

Внутренняя энергия - энергия, зависящая от его внутреннего состояния. Включает кинетическую энергию теплового движения микрочастиц (ядер, атомов, молекул, ионов и т.д.) и энергию их взаимодействия. Внутренняя энергия зависит от массы тел, от температуры тел, а также от того, в каком агрегатном состоянии они находятся. Внутренняя энергия тела изменится, если его деформировать или размельчить. Однако она не зависит от того, обладает тело механической энергией или нет.

Замкнутая система – идеализированная модель системы тел, для которой равнодействующая внешних сил равна нулю. Например, Замкнутая система в механике может быть определена как такая система тел, на которую не действуют внешние силы, либо действия этих внешних сил на тела системы полностью скомпенсированы.

Закон сохранения энергии - фундаментальный закон природы, в замкнутой системе тел полная энергия не изменяется при любых взаимодействиях внутри этой системы тел. Закон накладывает ограничения на протекание процессов в природе. Природа не допускает появление энергии ниоткуда и исчезание в никуда.

Импульс – векторная величина, равная произведению массы тела на скорость его движения, иногда называется количеством движения.

Закон сохранения импульса - для замкнутой системы внешние силы отсутствуют и таким образом импульс замкнутой системы сохраняется, т.е. остаётся неизменным со временем.

Закон сохранения момента импульса: момент импульса замкнутой системы сохраняется, т. е. не изменяется с течением времени; или импульс системы материальных точек сохраняется, если система замкнута или если сумма моментов всех внешних сил, действующих на систему, равна нулю.

Основная и дополнительная литература по теме урока (точные библиографические данные с указанием страниц):

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 112 - 114.

Электронные ресурсы:

Крис Вудфорд «Атомы у нас дома». Глава из книги// электронный доступ: https://elementy.ru/bookclub/chapters/433839/Atomy_u_nas_doma_Glava_iz_knigi

Альберт Эйнштейн, Леопольд Инфельд «Эволюция физики. Развитие идей от первоначальных понятий до теории относительности и квантов» // электронный доступ: https://elementy.ru/bookclub/chapters/430770/III_Pole_i_otnositelnost

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Анализ закономерностей природы позволил выделить Всеобщие законы, которые проявляются на всех уровнях её организации. Эти законы оказываются справедливыми для всех явлений и процессов. Они не зависят не только от людей, но и от систем отсчёта (т.е. они инвариантны), что означает их объективность. Поиск законов – это поиск наиболее объективного, наиболее соответствующего природе способа выражения знаний человека о мире.

К наиболее общим законам природы относят законы сохранения.

Закон сохранения энергии.

Понятие энергии встречается во всех естественных науках.

Энергия – это универсальная мера различных форм движения и взаимодействия. Энергия - это характеристика состояния тела или системы тел, зависящая от параметров состояния, её изменение определяется работой.

Открытие закона сохранения энергии приводят все знания о природе в единую систему. Все наши знания, представления о физических, химических, биологических и др. процессах. Универсальность этого закона позволяет объединить различные виды энергии (механическую, электромагнитную, тепловую и т.д.).

Суть закона сохранения энергии состоит в том, что энергия любого вида может передаваться от одного тела другому или превращаться из одного вида энергии в другой, притом так, что в процессах передачи и превращения энергия бесследно не исчезает и не возникает из ничего.

Если мы представим себе систему, которая не взаимодействует с окружающей средой, т.е. не получает энергии извне и не отдаёт свою энергию, то можно говорить, что энергия этой замкнутой системы останется неизменной. В природе отсутствуют системы, которые совершенно не взаимодействуют с окружающей средой - природные системы являются открытыми. Однако любая природная система является частью системы более высокого уровня. Поэтому закон сохранения энергии оказывается справедлив и в этом случае.

Закон сохранения механической энергии - частный случай фундаментального закона сохранения энергии:

Eм = Ep + Ek = const

При этом различают кинетическую и потенциальную энергии. Они могут переходить друг в друга. Примером может служить движение маятника. Механическая энергия является суммой этих двух видов энергий. Не сложно предположить, что если маятник оказался бы замкнутой системой, его движение было бы бесконечно. Однако взаимодействуя с окружающей средой, часть энергии переходит во внутреннюю энергию. Так, если присутствуют силы трения или произойдёт неупругий удар, тела могут нагреваться, т.е. механическая энергия переходит в тепло (внутреннюю энергию движения частиц). Внутренняя энергия также может переходить в механическую, что происходит, например, при движении живых организмов и при работе тепловых двигателей.

Помимо тепловой, электрическая, химическая и ядерная энергии — это виды внутренней энергии, которые вносят вклад в общее содержание энергии в веществе. Так в лампе накаливания можно наблюдать переход электрической энергии в тепловую. Электродвигатель преобразует энергию электромагнитного поля в механическую. Энергия химических связей может высвобождаться в форме тепловой энергии, например при горении. Энергия ядра в атомных реакторах преобразуется в тепловую.

На фундаментальном уровне, таким образом, любую энергию можно в итоге свести к кинетической энергии частиц вещества и энергии фундаментальных полей.

Напомним, что обмен энергией с окружающей средой является одним из необходимых условий существования всего живого.

Закон сохранения импульса

Помимо энергии есть ещё одна характеристика вещества и поля – импульс. Впервые этим термином описал движение Рене Декарт. Импульс он определил как количество движения. Действительно, не всегда описание движения скоростью, ускорением и т.п. удобно. Так, например, при торможении поезда и велосипеда, двигающихся с одинаковой скоростью, тормозной путь будет больше. Согласитесь, что только скоростью это объяснить нельзя. Здесь важно учитывать и массу.

Величина равная произведению массы и скорости тела называется импульсом:

Это величина векторная. И её вектор направлен в том же направлении что и скорость.

Введение импульса действительно оправдано. Ведь он у тела никуда не девается, импульс сохраняется. Иллюстрацию этого можно наблюдать на примере маятника, называемого колыбелью Ньютона.

Согласно закону сохранения импульса, импульс замкнутой системы остаётся неизменным (p = const). Он может измениться только при действии внешних сил.

Импульс всегда связан со взаимодействием. Так внутренняя энергия не может изменить импульс системы. Т.е. вытаскивание себя из болота за волосы, как предлагал Мюнхгаузен, дело бесперспективное.

С другой стороны, тогда бы и ракета не смогла бы двигаться в безвоздушном пространстве космоса, попросту не от чего «оттолкнуться». В этом случае важно учитывать векторную сумму импульсов тел нашей замкнутой системы. Если появляется импульс, то тело начнёт своё движение, чтобы скомпенсировать его, при этом в противоположную сторону. Так воздушный шарик с воздухом изначально имеет нулевой импульс. Тогда, согласно закону сохранения импульса, выпуская воздух, система всё равно должна сохранить своё нулевое значение. Воздух, вырываясь с определённой скоростью, компенсируется движением шарика, в противоположном направлении воздушной струи.

Закон сохранения импульса можно наблюдать не только на примере движения животных, таких как кальмар, осьминог и др. Похожее реактивное движение используется и в космических ракетах. Разогретый газ, вырывающийся из сопел, является «опорой», для ракеты.

Заметим, что фундаментальные поля тоже характеризуются импульсом и при взаимодействии с веществом могут приводить его в движение

Закон сохранения момента импульса

При вращательном движении аналогом импульса тела поступательного движения, будет выступать момент импульса тела относительно оси. Эта величина зависит от того, сколько массы вращается, как она распределена относительно оси вращения и с какой скоростью происходит вращение. Ярким примером закона сохранения момента импульса является раскрученный волчок (юла). С точки зрения этого закона можно рассматривать вращательное движение планет вокруг Солнца. В этом случае, момент импульса будет высчитываться по формуле:

Не сложно сделать вывод, что поскольку масса, радиус и скорость не меняются, то и момент импульса останется неизменным ().

В случае движения тел по эллиптической орбите, закон сохранения момента импульса останется справедливым. В этом случае момент импульса будет выражаться следующим образом:

α — угол между вектором скорости тела и направлением на Солнце.

Следуя закону сохранения импульса, подлетая к Солнцу, например комета, будет ускоряться, т.к. радиус становится меньше.

Закон сохранения момента импульса наглядно проявляется, в гимнастических упражнениях, спортсмены совершают вращательные движения. Сжимаясь и распрямляясь, спортсмен заметно изменяет скорость своего вращения.

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

Этот закон справедлив и в микромире, При этом важно отметить, что все частицы обладают моментом импульса, что свидетельствует о том, что им свойственно и движение «вокруг своей оси». Эту характеристику частиц обозначают спином.

Закон сохранения момента импульса справедлив не только для замкнутых систем, но равноправен и в тех случаях, когда внешние силы направлены к центру. Например, попробуйте остановить колесо велосипеда, действуя только на ось его вращения.

Вывод:

Законы сохранения импульса, момента импульса, энергии отражают общий принцип сохранения материи и движения, служат доказательством существования всеобщих взаимосвязей в природе. Объективность законов природы, их общность приводит к выводу о единстве законов природы, что подтверждает единство природы в целом.

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:

Задание 1.

Выберите один ответ:

Что произойдёт, если дети на раскрученной карусели одновременно переместятся ближе к центру?

Скорость вращения карусели увеличится;

Скорость вращения карусели уменьшится;

Скорость вращения карусели останется неизменной;

Ответ: Скорость вращения карусели увеличится

Пояснение: В соответствии с законом сохранения, момент импульса замкнутой системы останется неизменным L=const. Поскольку момент импульса связан с массой, скоростью и радиусом (L= m∙v∙r), то несложно оценить, что при неизменной массе, но при уменьшающемся радиусе, величина скорости увеличивается, что мы и можем наблюдать в примере

Задание 2.

Почему в действительности Мюнхгаузен не мог вытащить за волосы себя из болота?

А) Плечо силы было бы недостаточно;

Б) Момент сохранения момента импульса применим только для замкнутых систем, каковой человек не является;

В) Для изменения импульса замкнутой системы необходимо, чтобы произошло взаимодействие с другим телом, т.е. «нужно от чего-нибудь оттолкнуться»;

Ответ: В.

Пояснение: Импульс всегда связан с взаимодействием. Внутренняя энергия не может изменить импульс системы. Т.е. вытаскивание себя из болота за волосы, как предлагал Мюнхгаузен, дело бесперспективное.