Законы сохранения и принципы симметрии

Автор работы: Пользователь скрыл имя, 31 Октября 2014 в 00:36, реферат

Краткое описание

Цель: рассмотреть особенности взаимосвязи законов сохранения и принципов симметрии.
Задачи: 1) проследить связь свойств пространства и времени с законами сохранения;
2) сопоставить закон сохранения энергии и принципы симметрии;
3) сопоставить закон сохранения импульса и принципы симметрии;
4) сопоставить закон сохранения момента импульса и принципы симметрии.

Вложенные файлы: 1 файл

Законы сохранения (реф. по КСЕ).doc

— 134.50 Кб (Скачать файл)

Возьмем другой пример. Как известно, Земля вращается вокруг Солнца по эллипсу, поэтому расстояние от нее до Солнца меняется. Если пренебречь влияниями Луны и других небесных тел на вращение Земли (они малы), то ее момент импульса должен сохраняться при движении вокруг центрального тела. Он не должен изменяться ни в ближайшей к Солнцу точке r1 (называемой перигелием, греч. peri..."вокруг, около, возле"), ни в самой удаленной г2 (называемой афелием, греч. aphelios < аро..."вдали от"). Поскольку г1 < г2, мы должны получить v1 > v2, т. е. скорость Земли в перигелии максимальна. Земля находится в перигелии 3 января, в афелии – 3 июля, поэтому, можно сказать, что зимняя скорость обращения Земли превышает летнюю.

«Момент импульса является векторной величиной, поэтому в изолированной системе сохраняется не только его значение, но и направление». [4; 90] Направление вектора определяется по правилу правого, буравчика. Направление момента импульса вращающегося колеса трудно изменить, именно поэтому человек удерживает равновесие только на движущемся велосипеде, и велосипедист при повороте направо (если он не держится за руль) должен отклониться вправо, чтобы сохранить равновесие. Все эти явления можно проследить на вращающемся волчке: его ось вращения, сохраняя свой наклон по отношению к горизонтали (почему волчок и не опрокидывается), в то же время описывает конус вокруг вертикали, или прецессирует.

Обратимся еще к одному свойству симметрии пространства – его изотропности. Изотропность пространства означает инвариантность физических законов относительно выбора направлений осей координат системы отсчета (относительно поворота замкнутой системы в пространстве на любой угол).

Из изотропности пространства следует фундаментальный закон природы – закон сохранения момента импульса: момент импульса замкнуто системы сохраняется, т е. не изменяется с течением времени.

Связь между симметрией пространства и законами сохранения установила   немецкий   математик   Эмми   Нётер   (1882-1935).   Она сформулировала и доказала фундаментальную теорему математической физики, названную ее именем, из которой следует, что из однородности пространства и времени вытекают законы сохранения соответственно импульса и энергии, и из изотропности пространства - закон сохранения момента импульса.

«Выявление различных симметрии в природе, а иногда и постулирование  их  стало  одним  из  методов  теоретического  исследования свойств микро-, макро- и мегамира. Возросла в связи с этим роль весьма сложного и абстрактного математического аппарата - теории групп - наиболее адекватного и точного языка для описания симметрии». [9; 48] Теория групп – одно из основных направлений современной математики. Значительный вклад в ее развитие внес французский математик Эварист Галуа (1811- 1832), жизнь которого рано оборвалась: в возрасте 21 года он был убит на дуэли.

С   помощью   теории   групп   русский   минералог   и   кристаллограф Е.С. Федоров (1853-1919) решил задачу классификации  правильных пространственных систем точек –  одну из основных задач кристаллографии. Это исторически первый случай применения теории групп непосредственно в естествознании.

Существенное ограничение об однородном и изотропном пространственном распределении материи во Вселенной, налагаемое на уравнения общей теории материи и составляющее основу космологического принципа, позволило А.А. Фридману (1888-1925) предсказать расширение Вселенной.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

 

Законы сохранения тесно связаны со свойствами симметрии физических систем. При этом симметрия понимается как инвариантность физических законов относительно некоторой группы преобразований входящих в них величин. Наличие симметрии приводит к тому, что для данной системы существует сохраняющаяся физическая величина. Таким образом, если известны свойства симметрии системы, как правило, можно  найти для нее законы сохранения,  и наоборот.

Как отмечалось, законы сохранения энергии, импульса, момента обладают всеобщностью. Это связано с тем, что соответствующие симметрии можно рассматривать как симметрии пространства-времени (мира), в котором движутся материальные тела. Так, сохранение энергии связано с однородностью времени, т.е. с инвариантностью физических законов относительно изменения начала отсчета времени. Сохранение импульса и момента количества движения связано соответственно с однородностью пространства (инвариантность относительно пространств, сдвигов) и изотропностью пространства (инвариантность относительно вращений пространства). Поэтому проверка механических законов сохранения есть проверка соответствующих фундаментальных свойств пространства-времени. Долгое время считалось, что, кроме перечисленных элементов симметрии, пространство-время обладает зеркальной симметрией, т.е. инвариантно относительно пространственной инверсии. Тогда должна была бы сохраняться пространств, четность. Однако в 1957г. было экспериментально обнаружено несохранение четности в слабом взаимодействии, поставившее вопрос о пересмотре взглядов на глубокие свойства геометрии мира.

В связи с развитием теории тяготения намечается дальнейший пересмотр взглядов на симметрии пространства-времени и фундаментальных законов сохранения (в частности, на законы сохранения энергии  и  импульса).

Таким образом, 12-й уровень организации, природы – атом – описывается II-м структурным уровнем организации материи микромира изучается наукой физикой, имеет вид эволюции физический.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Литература

 

  1. Геворкян Р.Г., Шепель В.В. Курс общей физики: Учеб. пособие для вузов. – 3-е изд. – М.: Высшая школа, 1972. – 600с.
  2. Горелов А.А. Концепции современного естествознания: Учеб. пособие для вузов / А.А. Горелов. – М.: Астрель; АСТ, 2004. – 380с.
  3. Грушевская Т.Г. Концепции современного естествознания: Учеб. пособие для вузов. – М.: Высшая школа, 1998. – 425с.
  4. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания: Учебник под ред. акад. М.Ф. Жукова. – Новосибирск: ЮКЭА, 1997. – 832с.
  5. Еремина З.И. Концепции современного естествознания / З.И. Еремина. – Саранск: Тип. “Красный Октябрь”, 2002. – 32с.
  6. Иванов Б.Н. Законы физики: Учеб. пособие. – М.: Высшая школа, 1986. – 334с.
  7. Ильченко В.Р. Перекрестки физики, химии и биологии. – М.: Просвещение, 1986. – 174с.
  8. Карнап Р. Философские основания физики. – М.: Прогресс, 1971. – 390с.
  9. Карпенков С.Х. Основные концепции естествознания. Практикум: Учеб. пособие для вузов. – М.: Культура и спорт; ЮНИТИ, 1998. – 239с.
  10. Концепции современного естествознания: Учеб. пособие / А.А. Алехин, В.А. Маргулис, Л.И. Маргулис и др.; Под ред. В.А. Маргулиса. – Саранск: Издательство Мордовского университета, 2002. – 96с.
  11. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания: Учеб. пособие для студ. вузов / В.М. Найдыш. – М.: Гардарики, 2003. – 476с.
  12. Фейнман Р. Характер физических законов: Пер. с англ. – 2-е изд. – М.: Наука, 1987. – 160с.
  13. Физический энциклопедический словарь / Гл. ред. А.М. Прохоров. – М.: Большая российская энциклопедия, 1995. – 928с.
  14. Философский энциклопедический словарь / Ред. – сост. Е.Ф. Губский и др. – М.: Инфра-М, 2004. – 576с.

Приложения

 

Список терминов

 

Вес – численная величина силы тяжести, действующей на тело, находящееся вблизи земной поверхности.

Гироскоп – быстро вращающееся симметричное твердое тело, ось вращения которого (ось симметрии) может изменять свое направление в пространстве.

Диссипация энергии – у физических систем переход части энергии упорядоченного процесса (например, электрического тока) в энергию неупорядоченного процесса, в конечном счете – в тепловую (например, в джоулеву теплоту); у механических систем – переход части их механической энергии в другие формы (например, в теплоту) за счет наличия сил сопротивления.

Динамика – раздел механики, посвященный изучению движения материальных тел под действием приложенных к ним сил. В основе динамики лежат законы механики Ньютона, из которых получаются все уравнения и теоремы, необходимые для решения задач динамики.

Законы сохранения – физические закономерности, согласно которым численные значения некоторых физических величин не изменяются со временем в любых процессах или в определенном классе процессов. Важнейшими законами сохранения, справедливыми для любых изолированных систем, являются законы сохранения энергии, импульса, момента количества движения.

Изотропия – независимость свойств среды (вещества) от направления.

Импульс силы – мера действия силы за некоторый промежуток времени.

Инвариантность – неизменность, независимость от некоторых физических условий.

Инертная масса – физическая величина, характеризующая динамические свойства тела. Инертная масса входит во 2-й закон Ньютона (и, таким образом, является мерой инерции тела). Равна гравитационной массе.

Кинетическая энергия – энергия механической системы, зависящая от скоростей ее точек.

Количество движения (импульс) – мера механического движения, равная для материальной точки произведению ее массы m на скорость V.

Консервативная система – механическая система, для которой имеет место закон сохранения механической энергии, т.е. сумма кинетической энергии Т и потенциальной энергии П системы постоянна: Т+П=const.

Крутильные весы – чувствительный физический прибор для измерения малых сил (малых моментов сил).

Момент количества движения (кинематический момент, угловой момент) – одна из мер механического движения материальной точки или системы.

Момент силы – величина, характеризующая вращательный эффект силы при действии ее на твердое тело; одно из основных понятий механики.

Потенциальная энергия – часть общей системы механической энергии, зависящая от взаимного расположения материальных точек, составляющих эту систему, и от их положений во внешнем силовом поле.

Пространство и время – категории, обозначающие основные формы существования материи. Пространство выражает порядок существования отдельных объектов, время – порядок смены явлений.

Сила – (в механике) – мера механического действия на данное материальное тело других тел.

Симметрия – равномерное сходное расположение, например, частей геометрической фигуры, элементов формы какого-нибудь искусственного предмета.

Система отсчета – (в механике) – совокупность системы координат и часов, связанных с телом, по отношению к которому изучается движение (или равновесие) каких-нибудь других материальных точек или тел.

Тяготение (гравитация) – универсальное взаимодействие между любыми видами материи.

Удар – (твердых тел) – совокупность явлений, возникающих при столкновении движущихся твердых тел, а также при некоторых видах взаимодействия твердого тела с жидкостью или газом.

Энергия – общая количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Информация о работе Законы сохранения и принципы симметрии