Оборудование. Демонстрационные таблицы: шкала размеров физических объектов «Масштабы во Вселенной», «Структура основных материальных объектов», «Фундаментальные взаимодействия».

Учитель. Мы заканчиваем изучение школьного курса физики. Он содержит основные законы и понятия из самых важных областей физики: классической механики, электродинамики, молекулярно кинетической теории, атомной физики, физики ядра и элементарных частиц. Цель физики -- отыскание общих законов природы, объяснение с их помощью различных процессов и явлений для овладения и управления ими. По мере развития физической науки перед человечеством все больше раскрывается величественная и сложная картина единства природы.

Сегодня мы обобщим изученный курс, стремясь показать, что мир и отражающие его физические законы представляют собой не просто сумму разрозненных и независимых объектов, явлений и отражающих их научных положений, а части единого целого, разнообразные и многочисленные проявления единых сущностей.

План конференции записан на доске. Он поможет вам выделить основные вопросы.

Вселенная и ее масштабы. (1 ученик)

В физике изучается строение материи на первых структурных уровнях и исходные простейшие формы ее движения во всей Вселенной, начиная от элементарных частиц (размеры порядка 10-15 -- 10-18 м) и кончая огромными звездными островами -- галактиками (размерами порядка 1022 м).

Наглядное представление о доступной наблюдению и изучению в настоящее время области Вселенной дает шкала размеров объектов (рис. 1). Смещение по этой шкале на одно деление вправо соответствует увеличению размеров (данных в метрах) в 10 раз.

Структура основных физических объектов показана в таблице 2. Обратите внимание, что таблица 2 и рисунок 1 взаимосвязаны. Область пространства, указанная на рисунке 1 условно разделена в таблице 2 на три области: мега-мир, макромир, микромир. Для каждой области можно указать свои объекты, то есть структурные единицы деления материи. Мега-мир включает галактики и звезды, макромир -- планетные системы звезд, планеты, окружающие нас тела, микромир -- молекулы, атомы, ядра атомов, элементарные частицы. Электромагнитное и гравитационное поля входят в состав мега- и макромира. Если сравнить состав объектов всех трех областей (мега-мир, макромир, микромир), то можно сделать важный вывод: все состоит из элементарных частиц, причем в состав вещества в стабильном состоянии входит всего три вида основных частиц. Это протоны, нейтроны и электроны, а электромагнитное поле состоит из фотонов.

Строение и движение всех этих объектов и изучает физика.

Взаимодействия и законы сохранения. (2 ученик)

Любой материальный объект, начиная от элементарной частицы и кончая макроскопическим телом и системой тел, обладает энергией и импульсом -- это универсальные физические характеристики физических объектов. Самое общее и основное свойство всех объектов состоит в их способности взаимодействовать между собой. Так, тела притягиваются к Земле, а Земля -- к Солнцу, электрон отталкивается от другого электрона и притягивается к ядру, вступают во взаимодействие атомы и молекулы, образуя кристаллы, взаимодействуя, отскакивают при ударе друг от друга стальные шарики и т. д.

Всеобщая причина изменения и движения в материальном мире -- взаимодействие. Несмотря на разнообразие взаимодействий, все они приводят к двум основным результатам:

1. В результате взаимодействия меняются энергия, импульс и другие характеристики объекта. Например, шарики при столкновении меняют направление скорости, а значит, изменяется импульс; одни элементарные частицы превращаются в другие и т. д.

2. В результате взаимодействия частицы или тела объединяются в новую устойчивую систему. Так, например, образуется ядро из нуклонов, взаимодействующих между собой, атом -- из ядра и электронов, Солнечная система -- из Солнца и планет и т. д.

В настоящее время все взаимодействия удалось понять как проявление четырех исходных, или, как говорят, фундаментальных взаимодействий: гравитационного, электромагнитного, слабого и сильного (в настоящее время слабое и сильное взаимодействия понимают как проявления единого электрослабого поля). Основные характеристики трех, изучаемых в школе, взаимодействий видны из таблицы 3. Гравитационное взаимодействие универсально, то есть имеет место между любыми материальными объектами. Оно убывает пропорционально 1/rІ, то есть простирается на большие расстояния, образуя макроскопическое гравитационное иоле. По сравнению с двумя другими взаимодействиями гравитационное взаимодействие мало. Электромагнитное взаимодействие проявляется только для электрически заряженных тел и частиц, оно на много порядков больше гравитационного и также образует макроскопические поля. Сильное взаимодействие, превышая по интенсивности гравитационное и электромагнитное, осуществляется только на очень малых расстояниях порядка размера элементарных частиц. Поэтому макроскопического поля оно не образует, а проявляется только между элементарными частицами. Сильному взаимодействию подвержены мезоны и барионы. Лептоны же и фотоны не участвуют в сильном взаимодействии.

Хотя различные взаимодействия проявляют себя в различных физических явлениях и в разных пространственных областях (например, сильное -- в микромире, гравитационное -- в макромире) и описываются различными физическими законами (например, в частных случаях гравитационное -- законом всемирного тяготения, электромагнитное -- законом Кулона), есть общие для всех взаимодействий законы -- это законы сохранения. Так, при любом взаимодействии для замкнутой системы (т. е. если учтены все взаимодействующие тела и частицы) сохраняется энергия, импульс, электрический заряд системы и некоторые другие величины. Поэтому законы сохранения применяются при изучении всех физических явлений.

Так, в механике закон сохранения импульса приводит к третьему закону Ньютона, в теплоте с помощью закона сохранения энергии рассчитывают количество теплоты, выделяющееся при совершении работы (первое начало термодинамики), в физике элементарных частиц закон сохранения заряда «разрешает» образование заряженных частиц только разноименно заряженными в паре и т. д.

Таблица 2. Структура основных материальных объектов.

Таблица 3. Фундаментальные взаимодействия.

Проявление взаимодействий в природе и основные физические теории (3 ученик)

Механическая картина мира. Все огромное многообразие окружающего нас мира обязано своим происхождением различным проявлениям фундаментальных взаимодействий в зависимости от структуры, размеров физических объектов и расстояний между ними. Так, в макромире расстояния между телами значительно превышают радиус сильного взаимодействия, поэтому оно здесь не проявляется. Макроскопические тела состоят из множества положительных ядер и близко расположенных к ним отрицательных электронов, образующих в целом электрически нейтральные системы (или несущие небольшие заряды по сравнению с общими входящими в состав вещества зарядами). Поэтому электромагнитные взаимодействия здесь для удаленных друг от друга тел отсутствуют или невелики, а решающее значение имеет гравитационное взаимодействие: все тела притягиваются друг к другу силами всемирного тяготения. Гравитационная сила -- одна из основных сил механики; она вызывает ускорение тел по второму закону Ньютона.

К механическим относятся и силы, возникающие при соприкосновениях тел друг с другом. Это силы упругости, трения, сопротивления среды движению тела. Все они имеют электромагнитную природу, так как возникают за счет электромагнитного взаимодействия зарядов, входящих в состав тел. К механическим можно отнести и силу Кулона, действующую между двумя макроскопическими телами, несущими макроскопические заряды, а также силу, действующую на проводник с током в магнитном поле.

Движение под действием указанных сил изучается в классической механике. Ей соответствует механическая картина данной части природы. Согласно Ньютону, мир состоит из «твердых, весомых, непроницаемых, подвижных частиц». Частицы действуют друг на друга на расстоянии с силами, вызывающими ускорения, в результате чего они движутся по определенным траекториям, могут образовать устойчивые системы. Типичным примером механической системы является наша Солнечная планетная система.

Со времен Ньютона и до середины прошлого века считалось, что механическая картина мира всеобъемлюща, т. е. все физические объекты и явления имеют описанную выше механическую природу. Однако оказалось, что все механикой не объясняется, и механическую картину мира пришлось дополнять.

(4 ученик) Полевые представления

В механической картине отсутствует материальный агент, передающий взаимодействия между телами. Между тем он существует в природе: это гравитационное и электромагнитное поле, передающее действие одного тела на другое со скоростью света. Окончательно понятие поля как самостоятельного материального объекта -- вида материи, существующего наряду с веществом, утвердилось после создания специальной теории относительности. В случае электромагнитного взаимодействия передатчиком взаимодействия служит электромагнитное поле. Оно дополняет механическую картину: на тело действует сила не непосредственно со стороны другого тела, а со стороны поля, созданного заряженным телом и непрерывно заполняющим пространство. Электромагнитное поле изучается электродинамикой; с помощью ее законов по расположению и движению электрических зарядов можно рассчитать напряженность поля в каждой точке пространства. Важно, что поле может «отрываться» от зарядов и существовать в свободном состоянии в виде электромагнитных волн. При изучении строения материи на микро-уровне оказывается, что поле, как и вещество, состоит из элементарных частиц -- фотонов.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6