Сергей Титов - Естествознание. Базовый уровень. 10 класс

Энергия не единственное в природе, что подчиняется закону сохранения. К числу законов сохранения, которые Ричард Фейнман называл великими, помимо уже известных нам законов сохранения энергии и импульса, относится также закон сохранения электрических зарядов. Существует полный электрический заряд изолированной системы, который при любых изменениях остаётся постоянным. Когда вы теряете заряд в одном месте, он всегда обнаруживается в другом. Если стеклянную палочку натереть мехом, она зарядится положительно, но при этом мех, которым её натёрли, приобретёт точно такой же отрицательный заряд, а суммарный заряд всегда будет равен нулю. Электрические заряды в окружающих нас предметах возникают вследствие потери или приобретения атомами электронов. Электроны гораздо подвижнее протонов и потому относительно легко покидают одни атомы и присоединяются к другим. Атомы, потерявшие отрицательно заряженные электроны, приобретают соответствующий положительный заряд, а те атомы, к которым электроны присоединились, приобретают такой же отрицательный. Заряд всегда передаётся порциями, величина которых кратна заряду электрона. А поскольку электроны и протоны ниоткуда не появляются и никуда не исчезают, то их общее количество, т. е. общий суммарный заряд, всегда остаётся нулевым. Правда, из следующей главы мы узнаем, что во время процессов, происходящих в атомном ядре, электроны и протоны всё-таки могут появляться и исчезать, однако и в этом случае закон сохранения заряда сохраняет свою справедливость.

Если пока не касаться строения атома, а говорить только о том мире, который мы можем наблюдать непосредственно, то надо упомянуть ещё один закон сохранения – закон сохранения момента количества движения.

Рис. 94. Гироскопы

Мы не будем говорить об этом законе подробно, скажем только, что он связан с криволинейным движением тела и особенно важен при вращательном движении: быстро катящееся колесо не падает. На этом законе основано действие гироскопов – приборов, способных сохранять постоянное вращение в одной плоскости и даже восстанавливать это движение после не очень больших отклонений (рис. 94).

С первым гироскопом, который называется волчком или юлой, мы знакомимся в раннем детстве. В современной технике гироскопы применяются для автоматического управления движением самолётов, морских судов, ракет и других объектов. Они используются также в астрономии и навигации для определения горизонта и географического меридиана.

1. Что такое вечный двигатель первого рода?

2. Перечислите известные вам виды энергии.

3. Какие физические величины подчиняются законам сохранения?

4. Объясните, почему все существующие в природе виды энергии можно свести к двум основным видам – потенциальной и кинетической?

5. Как вы думаете, почему законы сохранения называют великими?

Предлагаем вам рассмотреть два известных проекта вечного двигателя первого рода. Поскольку мы знаем, что вечный двигатель невозможен, оба эти двигателя «вечными» не являются. Однако причины, по которым они не смогут «вечно» работать, различны. Познакомьтесь с устройством обоих проектов и объясните их несостоятельность.

1. Идея основана на применении колеса с неуравновешенными грузами (см. рис. 92, Б). К краям колеса прикреплены откидные палочки с грузами на концах. При всяком положении колеса грузы на правой стороне будут откинуты дальше от центра, нежели на левой; эта половина, следовательно, должна перетягивать левую и тем самым заставлять колесо вращаться. Значит, колесо будет вращаться вечно.

2. Архимедов винт (вспомним § 3), вращаясь, поднимает воду в верхний бак, откуда она вытекает из лотка струёй, попадающей на лопатки водяного колеса (см. рис. 93). Водяное колесо двигает с помощью ряда зубчатых колёс тот самый архимедов винт, который поднимает воду в верхний бак. Винт поворачивает колесо, а колесо – винт! Этот проект, изобретённый ещё в 1575 г. итальянским механиком Страдою Старшим, затем повторялся в многочисленных вариациях.

1.  Докажите, что знание основных физических законов необходимо не только физикам и инженерам, но и всем людям в современном обществе.

2.  В одной из существующих классификаций профессий, основанной на предмете труда, все профессии делят на пять групп: человек – техника, человек – природа, человек – человек, человек – знаковая система, человек – художественный образ. Как вы думаете, какой группе (каким группам) профессий знания, представленные во 2 главе, будут наиболее важны? Обменяйтесь мнениями с одноклассниками и обсудите ваши точки зрения в классе.

Все явления и закономерности, о которых говорилось в предыдущей главе, по большей части доступны обычному наблюдению, и мы часто сталкиваемся с ними в повседневной жизни. Конечно, для точного измерения физических величин, установления соответствия между ними и представления их в виде математических законов необходимо использование приборов. Но приборы эти относительно просты, а законы достаточно понятны и вполне соответствуют нашим представлениям об устройстве мира. Это мир, в котором мы непосредственно живём и действуем, ориентируемся и приспосабливаем к нему своё поведение. Об этом мире знали первобытные люди, его исследовали в Античности, и представления, с ним связанные, в значительной мере устраивали науку вплоть до начала XX в. Такой мир иногда называют макромиром. Приставка макро- по-гречески означает «большой». Почему мир, в котором мы живём, называют большим? Потому что он действительно очень большой по сравнению с миром атомов и элементарных частиц с ничтожными по нашим понятиям объектами и расстояниями между ними, который принято называть микромиром. Как мы узнаем из данной главы, эти миры различаются не только количественно, но и качественно: в микромире законы физики имеют несколько иной характер, чем в привычном для нас макромире. Однако наш «большой» мир ещё не самый большой из всех существующих. Давайте подумаем, с какими размерами предметов, расстояниями и скоростями нам приходится иметь дело.

Самые высокие горы на Земле поднимаются над её поверхностью меньше чем на 10 км. Самое большое расстояние на планете по прямой линии равно примерно 20 000 км. Скорость самого быстрого самолёта немного больше 2000 км/ч. Конечно, мы уже освоились с незначительной частью околоземного пространства. Люди побывали на Луне, расстояние до которой 384 000 км, а космические аппараты долетали до Марса и Венеры, отдалённых от Земли более чем на 100 млн км. Но эти расстояния, которые кажутся нам огромными, ничтожно малы по сравнению с размерами части Вселенной, доступной нашим наблюдениям. Эти расстояния так велики, что для их характеристики применяют единицу, называемую световым годом и равную приблизительно 9,5 трлн км. Расстояние до самых отдалённых от Земли известных нам объектов – квазаров составляет 13 млрд световых лет! Умножив 13 млрд на 10 трлн, вы получите представление о размерах Вселенной. Даже ближайшая к Земле звезда – Проксима Центавра находится от неё на расстоянии 40 трлн км. Скорости наших космических аппаратов также явно недостаточны для того, чтобы «покорить Вселенную». Если лететь со второй космической скоростью, достаточной для выхода за пределы притяжения Земли, то потребуется четыре месяца для того, чтобы долететь до Солнца. Свет же проходит это расстояние за восемь минут. Обо всём этом мы подробно поговорим в дальнейшем, а пока что требуется просто понять, что этот мир настолько велик, что заслуживает специального наименования. Поэтому его часто называют мегамиром, т. е. «огромным миром».

Для того чтобы понять, что происходит в микро– и мегамире, требуются сложно устроенные приборы. Первыми шагами на пути познания этих миров были изобретения соответственно микроскопа и телескопа.