Философский смысл законов сохранения - Основные законы сохранения

Оглавление:

Основные законы физики являются наиболее полным, но лишь приблизительным представлением объективных процессов в природе. Различные формы движения материи описываются различными фундаментальными теориями. Каждая из этих теорий описывает очень специфические явления: механическое или тепловое движение, электромагнитные явления.

В структуре фундаментальных физических теорий существуют более общие законы, которые охватывают все формы движения материи и все процессы. Это законы симметрии или инвариантности и связанные с ними законы сохранения физических величин.

Законы сохранения физических величин — это утверждения, согласно которым численные значения этих величин не изменяются со временем в любом процессе или классе процессов. Действительно, во многих случаях законы сохранения просто выводятся из принципов симметрии.

Идея сохранения впервые возникла как чисто философская догадка о существовании неизменного, стабильного в вечно меняющемся мире. Даже древние философы-материалисты пришли к идее материи как неразрушимой и несотворенной основы всего сущего. С другой стороны, наблюдение за постоянными изменениями в природе привело к представлению о вечном движении материи как ее важном свойстве. С появлением материалистической формулировки механики на этой основе возникли законы сохранения.

Законы сохранения тесно связаны со свойствами симметрии физических систем. Таким образом, симметрия понимается как инвариантность физических законов по отношению к группе преобразований содержащихся в них величин. Наличие симметрии приводит к существованию консервативной физической величины для этой системы. Если известны свойства симметрии системы, то обычно можно найти закон сохранения для системы и наоборот.

Наиболее важными законами сохранения, которые справедливы для произвольных изолированных систем, являются:

закон сохранения энергии;
закон сохранения импульса;
закон сохранения импульса.

В современной физике существует определенная иерархия законов сохранения и принципов симметрии. Некоторые из этих принципов выполняются при произвольных взаимодействиях, другие — только при сильных взаимодействиях. Эта иерархия четко проявляется во внутренних принципах симметрии, действующих в микрокосмосе.

Совокупность рассматриваемых тел называется механической системой. Тела системы могут взаимодействовать друг с другом, а также с телами, которые не являются частью системы. Соответственно, силы, действующие на тела системы, делятся на внутренние и внешние. Внутренние силы — это силы, с помощью которых тела системы взаимодействуют друг с другом, внешние силы — это силы, обусловленные влиянием тел, не являющихся частью системы. Система без внешних сил называется закрытой системой.

Для замкнутых систем три физические величины остаются постоянными (сохраняются): энергия, импульс и угловой момент. Соответственно, существует три закона сохранения: закон сохранения энергии, закон сохранения импульса и закон сохранения углового момента. Эти законы тесно связаны со свойствами времени и пространства.

Помимо этих законов, существует ряд других законов сохранения (например, закон сохранения электрического заряда). Законы сохранения являются фундаментальными законами природы.

Рассмотренные в механике законы сохранения энергии, импульса и момента импульса оказываются точными законами и имеют универсальный характер — они применимы не только к механическим явлениям, но и вообще ко всем явлениям природы, в частности они соблюдаются в релятивистской области и в мире элементарных частиц.

Законы сохранения не зависят от природы и характера действующих сил. Поэтому с их помощью можно сделать ряд важных выводов о поведении механических систем, даже если силы остаются неизвестными.

Основные законы сохранения

1) Закон сохранения энергии в механических процессах.

Механическая энергия делится на два вида: потенциальная и кинетическая. Потенциальная энергия характеризует взаимодействующие тела, а кинетическая энергия — движущиеся тела. И потенциальная, и кинетическая энергия изменяются только в результате такого взаимодействия тел, при котором силы, действующие на тела, совершают ненулевую работу.

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

Сумма кинетической и потенциальной энергии тел называется полной механической энергией. Поэтому закон сохранения энергии можно сформулировать следующим образом: Полная механическая энергия замкнутой системы тел, взаимодействующих под действием сил гравитации и упругости, остается постоянной.

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

Закон сохранения полной механической энергии в процессах с участием упругих и гравитационных сил является одним из основных законов механики. Знание этого закона упрощает решение многих задач, имеющих большое практическое значение в повседневной жизни.

Например, энергия рек широко используется для выработки электроэнергии. Для этого строят плотины и запружают реки. Под действием силы тяжести вода из водохранилища за плотиной движется вниз по колодцу с ускорением, приобретая определенное количество кинетической энергии. Когда быстро текущий поток воды попадает на лопасти водяной турбины, кинетическая энергия поступательного движения воды преобразуется в кинетическую энергию вращательного движения роторов турбины, а затем в электрическую энергию с помощью электрогенератора.

Механическая энергия не сохраняется при трении между телами. Автомобиль, движущийся по горизонтальному участку дороги, проходит определенное расстояние после остановки двигателя и останавливается под действием сил трения. При торможении автомобиль нагревает тормозные колодки, шины и асфальт. В результате действия сил трения кинетическая энергия автомобиля не исчезла, а преобразовалась во внутреннюю энергию теплового движения молекул.

Таким образом, во всех физических взаимодействиях энергия не создается, а лишь преобразуется из одной формы в другую. Этот экспериментально установленный факт называется законом сохранения и превращения энергии.

2) Закон сохранения импульса

Покой и движение тела относительны, скорость движения зависит от выбора системы отсчета. Согласно второму закону Ньютона, изменение скорости движения тела, независимо от того, находится ли оно в покое или движется равномерно по прямой, может происходить только под действием силы, то есть в результате взаимодействия с другими телами.

Существует физическая величина, которая одинаково изменяется во всех телах при одинаковом приложении силы, равная произведению массы тела и скорости, и называется импульсом тела. Момент — это векторная величина, направление которой совпадает с направлением скорости. Изменение импульса равно импульсу приложенной силы. Импульс тела — это количественный параметр поступательного движения тела.

Экспериментальные исследования взаимодействия различных тел — от планет и звезд до атомов и электронов, элементарных частиц — показали, что в любой системе взаимодействующих тел при отсутствии действия сил со стороны других тел, находящихся вне системы, или равенстве нулю суммы действующих сил, геометрическая сумма импульсов тел остается постоянной.

3) Закон сохранения импульса

Момент — это физическая величина, характеризующая количество вращательного движения. Она подчиняется закону сохранения, который вытекает из изотропии пространства.

Связь законов сохранения с симметрией пространства и времени

Принципы симметрии тесно связаны с законами сохранения физических величин — утверждениями, согласно которым численные значения некоторых физических величин не изменяются со временем в произвольных процессах или в некоторых классах процессов. Действительно, во многих случаях законы сохранения просто следуют из принципов симметрии.

Связь между пространственной симметрией и законами сохранения была установлена в 1918 году немецким математиком Эмми Незер (1882 — 1935). Она сформулировала и доказала фундаментальную теорему математической физики, названную в ее честь, которая показывает, что если система инвариантна при глобальном преобразовании, то для нее существует определенная сохраняющаяся величина.

Теорема Лоу, доказанная ею как бы мимоходом во время участия в работе всей группы над проблемами общей относительности, стала важнейшим инструментом теоретической физики, подтвердив особую роль принципов симметрии в построении физической теории. Можно сказать, что теоретически инвариантный подход, принцип Эрланга проник в физику и определил целесообразность формулирования физических теорий на языке лагранжианов. Таким образом, упомянутые законы сохранения являются следствиями симметрий, существующих в реальном пространстве — времени. Закон сохранения энергии является следствием временной трансляционной симметрии — однородности времени. Из-за однородности времени функция Лагранжа замкнутой системы, очевидно, зависит не от времени, а от координат и моментов всех элементов, составляющих эту систему. Путем простых математических преобразований можно показать, что это приводит к тому, что полная энергия системы остается неизменной во время движения.

Сохранение импульса является следствием трансляционной инвариантности пространства (однородности пространства). Если мы потребуем, чтобы функция Лагранжа оставалась неизменной при любом бесконечно малом перемещении замкнутой системы в пространстве, мы получим закон сохранения импульса.

Закон сохранения импульса является следствием симметрии относительно вращений в пространстве, он свидетельствует об изотропии пространства. Если мы потребуем, чтобы функция Лагранжа оставалась постоянной при любом бесконечно малом повороте замкнутой системы в пространстве, мы получим закон сохранения импульса. Эти законы сохранения характерны для всех частиц, являются общими, удовлетворяются во всех взаимодействиях.

До недавнего времени в физике существовало четкое разделение на внешние и внутренние симметрии. Внешние симметрии — это симметрии физических объектов в реальном пространстве — времени, также называемые пространственно-временными или геометрическими симметриями. Законы энергии, импульса и сохранения импульса являются следствиями внешних симметрий.

Симметрия как основа для описания объектов и процессов в микромире

Среди всей группы принципов современной физики, пожалуй, самым важным является принцип симметрии или инвариантности, на основе которого действует закон сохранения физических величин.

В той или иной степени все люди имеют представление о симметрии, поскольку это свойство присутствует в самых разных предметах, играющих важную роль в повседневной жизни. Более того, многие творения человеческих рук намеренно симметричны по различным причинам и соображениям. Возможно, самый симметричный продукт человеческой деятельности — это шар, который всегда выглядит одинаково, как бы его ни крутили.

Симметрия также в изобилии встречается в природе. Снежинка обладает удивительной шестиугольной симметрией. Кристаллы также имеют характерные геометрические формы. Падающая капля дождя имеет форму идеальной сферы, а когда она замерзает, то превращается в ледяной шар — градину.

Другой тип симметрии, часто наблюдаемый в природе и в искусственных вещах, называется зеркальной симметрией. Человеческое тело обладает приблизительной зеркальной симметрией относительно вертикальной оси. Многие архитектурные сооружения, такие как арки или соборы, обладают зеркальной симметрией.

Симметрии, соответствующие вращению или отражению, ясны и приятны глазу, но они не исчерпывают всего запаса симметрий, существующих в природе. Изучая математическое описание той или иной системы, физики время от времени обнаруживают новые и неожиданные формы симметрии. Они довольно тонко «спрятаны» в математическом аппарате и совсем не видны тем, кто наблюдает саму физическую систему.

В настоящее время математическое исследование, основанное на анализе симметрии, также может стать источником совершенства в физике. Даже если симметрии, присущие математическому описанию, трудно или невозможно представить физически, они могут указать путь к раскрытию новых фундаментальных принципов природы. Поиск новых симметрий сегодня является основным средством, с помощью которого физики могут продвинуться к более глубокому пониманию мира.

Симметрия (от греч. symmetria — соразмерность), в широком смысле — инвариантность (неизменность) структуры, свойств, формы (направления в геометрии, кристаллографии) материального объекта относительно его преобразований (т.е. изменений некоторых физических свойств). Симметрия лежит в основе сохранения законов. Краткий оксфордский словарь определяет симметрию как «красоту, обусловленную пропорциональностью частей тела или целого; баланс; сходство; гармонию; согласованность».

Законы сохранения, наиболее общие законы физики, согласно которым численные значения некоторых физических величин, характеризующих физическую систему при определенных условиях, не изменяются во времени при различных процессах в этой системе. Наиболее важными законами сохранения являются законы сохранения энергии, импульса, углового момента и электрического заряда.

Существование законов сохранения обычно связывают с наличием той или иной симметрии в данной системе. Например, однородность времени приводит к законам сохранения энергии, а однородность пространства — к законам сохранения импульса.

Однако понятие симметрии может быть распространено на более абстрактные понятия, которые никак не связаны с геометрией. Например, одна из симметрий связана с работой, совершаемой при подъеме тела. Затраченная энергия зависит от разницы в высоте, которую необходимо преодолеть в процессе. Однако затраченная энергия не зависит от абсолютной высоты: Нет разницы, измеряется ли высота от уровня моря или от уровня земли. Этот пример иллюстрирует то, что физики называют калибровочными симметриями по отношению к изменениям масштаба. Все симметрии, связанные с законами микромира, являются калибровочными симметриями.

История открытия закона сохранения и превращения энергии

Закон сохранения и преобразования энергии
В 1841 году Ленц, русский ученый, и Джоуль, англичанин, почти одновременно и независимо друг от друга экспериментально продемонстрировали, что тепло может быть получено в результате механической работы. Джоуль определил механический эквивалент тепла. Эти и другие исследования подготовили открытие закона сохранения и превращения энергии. В 1842—1845 годах немецкий ученый Р. Мейер сформулировал этот закон на основе обобщения научных данных о механическом движении, электричестве, магнетизме, химии и даже физиологии человека. В то же время подобные идеи были высказаны в Англии (Гроув) и в Дании (Колдинг). Несколько позже этот закон был развит Гельмгольцем (Германия).

Взгляды на теплоту как на форму движения мельчайших «неощутимых» частиц материи были высказаны в XVII веке Ф. Бэконом, Декартом, Ньютоном, Гуком и многими другими, которые пришли к мысли, что теплота связана с движением частиц материи. Но со всей полнотой и определенностью эту идею развивал и отстаивал Ломоносов. Однако он был одинок, его современники перешли на сторону концепции теплорода и, как мы видели, эту концепцию разделяли многие выдающиеся ученые XIX века.
Успехи экспериментальной теплофизики, и особенно калориметрии, казалось, говорили в пользу термогенеза. Но тот же XIX век принес явные доказательства связи тепла с механическим движением. Конечно, факт выделения тепла при трении был известен с древних времен. Сторонники теплорода видели в этом явлении нечто аналогичное электризации тел за счет трения — трение помогает выжимать тепло из тела. В 1798 году Бенджамин Томпсон (1753?1814), который в 1790 году стал графом Румфордом, сделал важное наблюдение в военных мастерских Мюнхена: при сверлении пушечного ствола выделяется большое количество тепла.

Для детального изучения этого явления Румфорд провел эксперимент, в ходе которого он просверлил канал в цилиндре, выточенном из пушечного металла. Тупое сверло помещалось в просверленный канал, плотно прижималось к стенкам канала и приводилось во вращение. Термометр, вставленный в цилиндр, показал, что за 30 минут работы температура поднялась на 70 градусов по Фаренгейту. Румфорд повторил эксперимент, погрузив цилиндр и сверло в сосуд с водой. В процессе бурения вода нагрелась и через 2,5 часа закипела. Румфорд считал этот опыт доказательством того, что тепло — это форма движения.

Эксперименты по выделению тепла при трении были повторены Дэви. Он растопил лед, потерев два куска вместе. Дэви пришел к выводу, что следует отказаться от гипотезы о генераторе тепла и рассматривать тепло как колебательное движение частиц материи.
Согласно Мейеру, все движения и изменения в мире производятся «различиями», которые порождают силы, стремящиеся уничтожить эти различия. Но движение не прекращается, потому что силы неуничтожимы и восстанавливают различия. «Таким образом, принцип, согласно которому силы, будучи однажды заданными, количественно неизменны, как и вещества, логически гарантирует нам непрерывность существования различий и, следовательно, материального мира». Эта формулировка, предложенная Мейером, легко поддается критике. Понятие «разница» точно не определено; неясно, что подразумевается под термином «сила». Это предпосылка закона, но еще не сам закон. Но из дальнейшего изложения становится ясно, что под силой он подразумевает причину движения, которая измеряется произведением массы на скорость. «Движение, тепло и электричество — явления, сводимые к силе, измеряемые одно относительно другого и переходящие друг в друга по определенным законам». Это очень четкая и ясная формулировка закона сохранения и преобразования силы, т.е. энергии.

На странице рефераты по философии вы найдете много готовых тем для рефератов по предмету «Философия».

Здесь темы курсовых работ по философии

Читайте дополнительные лекции: