2. Законы сохранения
Закон сохранения импульса. Как указано выше, импульсом называется произведение массы частицы на её скорость (2.5). Закон сохранения импульса: в замкнутой системе тел суммарный импульс (векторная сумма импульсов, входящих в систему тел) есть величина постоянная.
Данный закон выполняется как в макромире, где позволяет рассмотреть взаимодействия тел при ударе и определяет возможность движения тел без опоры – реактивного движения, так и в микромире, при взаимодействиях микрообъектов. Это дает возможность определять характеристики и изучать особенности превращения микрочастиц по фотографиям их столкновений (методом толстослойных фотоэмульсий).
Закон сохранения момента импульса. В классической механике моментом импульса частицы относительно точки называется векторное произведение радиуса-вектора частицы на ее импульс:
.
( 4.1)
Закон сохранения момента импульса : в замкнутой системе тел суммарный момент импульса относительно неподвижной точки есть величина постоянная.
Момент импульса важнейшая характеристика вращающихся систем, связывающая распределение массы объекта и скорость его вращения. Изменение распределения массы в такой системе вследствие закона сохранения момента импульса приводит к изменению быстроты вращения. Движение фигуристки резко ускоряется, когда она прижимает к груди ранее разведенные в стороны руки.
Вращение – одно из наиболее общих свойств космических объектов различных уровней. Планеты, их спутники, звезды вращаются вокруг своих осей. Спутники обращаются вокруг планет, планеты – вокруг Солнца, Солнечная система – вокруг центра Галактики и т.д. Данные явления объясняются сохранением результирующего момента импульса систем, которым они обладали при возникновении, например вследствие неравномерности распределения частиц вещества.
Закон сохранения момента импульса позволяет количественно описать движение всех небесных тел в центральном поле тяготения, создаваемом Солнцем. Применяя его, можно получить второй закон Кеплера, описывающий изменение скорости планеты при ее движении по эллиптической орбите вокруг Солнца, а также объяснить резкое увеличение скорости комет при их приближении к Солнцу.
Микрообъекты обладают изначально присущим им собственным моментом импульса, не связанным с движением, – спином. Спин является одной из важнейших характеристик микрочастиц, имеющей чисто квантовую природу, а поэтому принимающую лишь определенный дискретный набор разрешенных значений. По величине спина микрочастицы делятся на частицы с целым спином – бозоны и частицы с полуцелым спином – фермионы. К бозонам относится, например, фотон, а фермионами являются электрон, протон, нейтрон. Закон сохранения момента импульса распространяется и на микромир, спин также является сохраняющейся величиной.
Закон сохранения энергии. Идея единства различных форм движения материи, их взаимного превращения привело к формированию понятия энергии как единой меры различных форм движения материи. Данное понятие связывает воедино все явления природы. При этом в соответствии с различными формами движения рассматривают разные формы энергии: механическую, внутреннюю, электромагнитную, ядерную и др. Энергия характеризует систему относительно возможных в ней превращений одних форм движения в другие.
Закон сохранения энергии: в замкнутой системе энергия может превращаться из одной формы в другую, переходить от одних тел к другим, но ее суммарная величина остается неизменной.
Таким образом, энергия не исчезает и не создается из ничего, она может изменяться лишь при взаимодействии системы с другими объектами. При этом изменение энергии системы тел при переходе из одного состояния в другое не зависит от того, каким способом осуществляется этот переход, следовательно, энергия – однозначная функция состояния системы.
В макромире энергия любой системы меняется непрерывно и может принимать любые значения. В микромире, если движение частицы ограничено в пространстве, ее энергия имеет дискретный спектр, то есть для взаимодействующего микрообъекта возможны лишь определенные значения энергии.
Релятивистская механика связала массу тела (m) с его полной энергией (Е) в отсутствии внешних полей
Е=mc2 ,
где с – скорость света в вакууме.
Это привело к объединению законов сохранения энергии и массы, раздельно существовавших в классической механике.