БРЯНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

имени академика И.Г.Петровского

Факультет: Финансово-экономический

Группа: Государственное и муниципальное управление

Р Е Ф Е Р А Т

Тема: «Законы сохранения и симметрия»

Студент: Журик Валерия Валерьевна_________

Научный руководитель: профессор Просянников Е.В.

Брянск 2013

Содержание:

Введение………………………………………………………….3

1.Законы сохранения…………………………………………...5

1.1.Законы сохранения и превращения энергии……………….6

1.2.Закон сохранения импульса и момента импульса…………9

1.3.Закон сохранения электрического заряда…………………..11

1.4.Закон сохранения массы……………………………………..13

2.Понятие симметрии в современной науке………………...15

2.1.Типы симметрии……………………………………………...16

3.Связь между принципами симметрии и законами сохранения………………………………………………………..17

Заключение………………………………………………………...21

Литература…………………………………………………………23

Введение

Законы сохранения занимают среди всех законов природы особое место. Общность и универсальность законов сохранения определяют их большое научное, методологическое и философское значение. Они являются основой важнейших расчетов физике и ее технических приложениях, позволяют в ряде случаев предсказывать эффекты и явления при исследовании разнообразных физико-химических систем и процессов. С законами сохранения связано введение в современную физику идей, имеющих принципиальное значение.

Законы сохранения служат пробным камнем любой общей физической теории. Непротиворечивость теории этим законам служит убедительный аргументом в ее пользу и является важнейшим критерием ее истинности. Поэтому в современных физических теориях далеко не последнюю роль играет идея сохранения специфических для данной теории величин, причем зачастую поиски таких величин являются важнейшей целью теории.

В законах сохранения находят свое отображение важнейший диалектико-материалистический принцип неуничтожимости материи и движения, взаимосвязь между различными формами движущейся материи и специфика превращения одной формы движения в другую.

Научное и методологическое значение законов сохранения в достаточно полной мере выявляется на фоне исторического развития общей идеи сохранения. Открытие и обобщение законов сохранения происходило вместе с развитием всей физики, от первых робких догадок античных натурфилософов через классическую механику и электродинамику до теории относительности, квантовой механики и физики элементарных частиц.

Законы сохранения не зависят от природы и характера действующих сил. Поэтому с их помощью можно делать ряд важных заключений о поведении механических систем даже в тех случаях, когда силы остаются неизвестными.

Законы сохранения в физике играют особую роль, но не менее важно их значение в мировоззренческом плане. Они подтверждают стабильность природы. К законам сохранения в физике относятся: закон сохранения энергии, импульса, момента импульса, заряда.

Закон сохранения энергии определяет незыблемость энергии. Закон сохранения импульса определяет незыблемость движения, неуничтожимость поступательного движения. Закон сохранения момента импульса определяет незыблемость вращательного движения. Закон сохранения заряда определяет кулоновского взаимодействия, которое наряду с гравитационным и сильным определяет структуру мира. Поэтому принципиально знать причину появления в физике этих законов.

После фундаментальных работ Э. Нётер стало известно, что за каждым из законов сохранения стоит некоторая симметрия.

Целью работы является показать, что законы сохранения являются отражением проявления различного типа симметрии в физике и наоборот установление этой связи позволяет понять сущность и природу этих законов.

Рассматриваемые в механике законы сохранения энергии, импульса и момента импульса оказываются точными законами и имеют всеобщий 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.

1. Законы сохранения

Законы сохранения — физические закономерности, соглас­но которым численные значения некоторых физических вели­чин не изменяются со временем. (Горохов В. Г. «Концепции современного естествознания», 2000 .)

Некоторые из законов сохранения выполняются всегда и при всех условиях (например, законы сохранения энергии, импульса, момента импульса, электрического заряда), или, во всяком случае, никогда не наблюдались процессы, противоречащие этим законам. Другие законы являются лишь приближёнными и выполняющимися при определённых условиях (например, закон сохранения массы выполняется в нерелятивистском приближении; закон сохранения чётности выполняется для сильного и электромагнитного взаимодействия, но нарушается в слабом взаимодействии).

1.1 Закон сохранения и превращение энергии

Первое начало термодинамики известно как закон сохранения энергии. Это фундаментальный закон, согласно которому важнейшая физическая величина - энергия - сохраняется неизменной в изолированной системе. (Садохин А. П. Концепции современного естествознания: учебник для студентов вузов, обучающихся по гуманитарным специальностям и специальностям экономики и управления / А.П. Садохин. - 2-е изд., 2006.)

Важным достижением на пути процесса интеграции знаний было открытие фундаментального закона природы - закона сохранения и превращения энергии. Открытие закона сохранения и превращения энергии связывают с именами Р. Майера, Д. Джоуля, Г. Гельмгольца, которые пришли к нему разными путями. Формулировка закона сохранения и превращения энергии, согласно Г. Гельмгольцу: приращение кинетической энергии тела равно убыли его потенциальной энергии. Г. Гельмгольц выразил полученный закон в математической форме и связал закон сохранения энергии с принципом невозможности создания вечного двигателя. Д. Джоуль определил величину эквивалента перевода механической энергии в тепловую. Рассматривая различные виды энергии, Р. Майер в своей работе, выделил: кинетическую, потенциальную, их сумму - механическую энергию, тепловую, электрическую и химическую энергии, пришел к выводу, что все эти виды энергии могут взаимопревращаться - при условии неизменности общего количества энергии. Например, количественным выражением закона сохранения энергии в химическом производстве является тепловой (энергетический) баланс. Применительно к тепловым процессам химической переработки закон сохранения энергии формулируется так: количество тепловой энергии, принесенной в зону взаимодействия веществ, равно количеству энергии вынесенной веществами из этой зоны:

Qф + Qэ + Qв = Оф' + Qn'

где Qф - теплота, введенная в процесс с исходными веществами; Qэ - теплота экзотермических реакций; Qв - теплота, введенная в процесс извне; Оф' - теплота, выведенная из процесса с продуктами реакции; Qn' - потери теплоты в окружающую среду.

Переход энергии из одной формы в другую означает, что энергия в данной ее форме исчезает, превращается в энергию в иной форме. Закон сохранения энергии утверждает, что при любых процессах, происходящих в изолированной системе, полная энергия системы не изменяется, то есть переход энергии из одной формы в другую происходит с соблюдением количественной эквивалентности. Для количественной характеристики различных форм движения вводятся соответствующие им виды энергии: механическая, внутренняя (тепловая), электромагнитная, химическая, ядерная и т. д.

В современной классической физике закон сохранения энергии имеет форму записи в виде обобщенного уравнения состояния замкнутой термодинамической системы:

W = Wk + Wp + U,

где W – полная энергия системы; Wk − кинетическая энергия системы в целом; Wp − потенциальная энергия системы в целом; U – внутренняя энергия системы.

Данное уравнение указывает на то, что энергия внутри системы может переходить из одного вида энергии в другой (из кинетической энергии в потенциальную) и, наоборот, при неизменности внутренней энергии. Такая форма записи закона сохранения энергии не учитывает возможности перехода энергии из одной формы в другую, то есть не учитывает классификацию энергии по формам и видам. Недостатком формы записи является ее приемлемость лишь для замкнутой системы.

Закон сохранения энергии можно распространить на незамкнутые системы, если принять во внимание принцип приращений. Этот принцип требует записывать определяющие уравнения, к которым относится и уравнение состояния, не в абсолютных значениях величин, а в их приращениях.

Для полного учета всех форм энергии в уравнение состояния должна быть добавлена сумма приращений энергии, вызванных изменением состояния системы под влиянием разных форм физического поля. Уравнение состояния принимает обобщенный вид:

dW = Σi Ui dqi + Σj Uj dqj,

где i – число форм движения; j – число форм физического поля.

Это уравнение состояния является наиболее полной формой записи по сравнению с другими формами записи этого уравнения в современной физике и отражает не только перенос энергии из системы в среду или из среды в систему, но и перенос энергии из одной формы движения в другую внутри системы, из энергии любой формы движения в энергию физического поля и наоборот. Данное уравнение положены в основу закона сохранения энергии. Полное название этого закона - закон сохранения и превращения энергии. (Гусейханов М. К., Раджабов О. Р. «Концепции современного естествознания»: Учебник. - 6-е изд, 2007.)

Закон сохранения энергии - закон, управляющий всеми явлениями природы; исключений из него науке неизвестно. Закон сохранения энергии имеет большое практическое значение, поскольку существенно ограничивает число возможных каналов эволюции системы без ее детального анализа. Так на основании этого закона оказывается возможным априорно отвергнуть любой весьма проект весьма экономически привлекательного вечного двигателя первого рода (устройства, способного совершать работу, превосходящую необходимые для его функционирования затраты энергии).

Таким образом, закон сохранения энергии действует во всех случаях и повсюду, где одна форма энергии переходит в другую.