Взаимодействия и силы в Природе

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

 

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ  УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО  ОБРАЗОВАНИЯ

«НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

Кафедра прикладной и теоретической  физики

 

 

 

 

Реферат

на тему : «Взаимодействия и силы в Природе».

 

 

 

 

 

 

 

Выполнила:

Буслова Анастасия

Факультет бизнеса

Группа ФБЭ-03; 3-вариант

 

Преподаватель: Спутай С. В.

 

 

 

 

 

 

 

 

Новосибирск

2011

 

СОДЕРЖАНИЕ:

       Введение…………………………………………………………………………………………..3

1. Проявления силы………………………………………………………………………….4

 

2. Фундаментальные взаимодействия……………………………………………4

2.1. Гравитация…………………………………………………………………………………5

2.2. Слабое взаимодействие……………………………………………………………6

2.3. Электромагнитное взаимодействие………………………………………….7

2.4. Сильное взаимодействие…………………………………………………………..8

3. Сила тяжести………………………………………………………………………………..9

Список литературы………………………………………………………………..…………10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Силой называется количественная мера воздействия одного тела на дру-

гое, в результате которого тело изменяет состояние своего движения или де-

формируется (или имеет  место и то и другое одновременно).

Однако спор вокруг определения  силы не закончен до сих пор. Это  обусловлено трудностью объединения  в одном определении сил, различных  по своей природе и характеру  проявления.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Проявления силы.

 

Силы могут проявляться  динамически и  статически.

Динамическое  проявление сил заключается в сообщении телам ускорения, величина которого зависит от величины силы.

 Статически силы проявляются в деформации тел.

Измерение сил основано на сравнении результатов их действия. Поскольку силы проявляются динамически и статически, возможны два способа их измерения.

Силы можно измерять путем  сравнения ускорений, приобретаемых неко

торым телом, принятым за эталонное. Следует отметить, что динамический

способ неудобен, поскольку  требует измерения ускорений, а  для этого необ-

ходимо знать закон движения. Кроме того, он предусматривает знание зави-

симости между силой и ускорением.

 

 

2. Фундаментальные взаимодействия

 

Современному естествознанию природа, во всей своей беспредельности  и многообразии форм и проявлений, представляется в виде лишь четырех фундаментальных взаимодействий.

Фундаментальные взаимодействия отличаются друг от друга расстоянием, на котором они проявляются, отношением сил, энергиями, приходящимися на частицу, интенсивностью, характерным временем протекания процессов, происходящих в мире элементарных частиц.

В порядке возрастания интенсивности эти взаимодействия располагаются следующим образом:  гравитационное,  слабое,  электромагнитное и  сильное (или  ядерное). С проявлением всех этих типов взаимодействий мы встречаемся при изучении различных физических процессов, происходящих во Вселенной (от механического движения,

как простейшей формы движения материи, до сложнейших процессов существования  жизни на Земле, взаимного превращения  элементарных частиц и т.д.)

Отличительной особенностью фундаментальных взаимодействий являет-

ся то, что их нельзя свести к другим, более простым взаимодействиям.

 

 

1. Гравитация

 

Гравитация (сила тяготения) — универсальное взаимодействие между любыми видами материи. В рамках классической механики  описы-вается законом всемирного тяготения, сформулированным Исааком Ньютоном в его труде «Математические начала натуральной философии». Ньютон получил величину ускорения, с которым Луна движется вокруг Земли, положив при расчете, что сила тяготения убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от тяготеющего тела. Кроме этого, им же было установлено, что ускорение, обусловленное притяжением одного тела другим, пропорционально произведению масс этих тел. На основании этих двух выводов был сформулирован закон тяготения:   

       Любые материальные частицы притягиваются по направлению друг к другу с силой  , прямо пропорциональной произведению масс (  и  ) и обратно пропорциональной квадрату расстояния   между ними:

Здесь   − гравитационная постоянная, значение которой впервые получил в своих опытах Генри Кавендиш. Используя данный закон, можно получить формулы для расчета силы тяготения тел произвольной формы. Теория тяготения Ньютона хорошо описывает движение планет Солнечной системы и многих других небесных тел.

Гравитационное взаимодействие осуществляется посредством гравитационного поля. Гравитационные силы незначительны, если рассматривать взаимодействие элементарных частиц. Принимая во внимание современное состояние теории элементарных частиц, эти силы при таком рассмотрении не учитываются. В то же время они являются основными силами, управляющими движением и эволюцией небесных тел, массы которых велики.

Гравитационные силы можно  назвать «самыми универсальными»  среди

всех сил природы, поскольку  все, что имеет массу, должно испытывать гравитационные воздействия. Не существует такой формы материи, которой  не была бы присуща масса. Гравитационное взаимодействие свободно передается через  любые тела, ему невозможно поставить  преграду.

 

 

 

2. Слабое взаимодействие.

 

Слабое взаимодействие, или слабое ядерное взаимодействие — одно из четырех фундаментальных взаимодействий в природе. Оно ответственно, в частности, за бета-распад ядра. Это взаимодействие называется слабым, поскольку два других взаимодействия, значимые для ядерной физики (сильное и электромагнитное), характеризуются значительно большей интенсивностью. Однако оно значительно сильнее четвертого из фундаментальных взаимодействий, гравитационного. Слабое взаимодействие является короткодействующим — оно проявляется на расстояниях, меньших размера атомного ядра.

Слабое взаимодействие значительно  слабее сильного (ядерного) и элек-тромагнитного взаимодействий, но гораздо сильнее гравитационного. Так, ядерное взаимодействие примерно в 100 раз превосходит электромагнитное и в 10¹⁴ раз  – слабое. Гравитационное же взаимодействие двух электронов меньше кулоновского более чем в 10⁴⁰ раз.

Слабые взаимодействия определяют процессы, протекающие между эле-

ментарными частицами, из которых состоит вещество. Так, если бы перестали существовать слабые взаимодействия, то погасло бы Солнце, поскольку был бы невозможен процесс превращения элементарных частиц, который является основным источником энергии Солнца и большинства звезд.

 

 

3. Электромагнитное взаимодействие.

 

Электромагнитное взаимодействие осуществляется посредством электромагнитного поля, квантами которого являются фотоны. Это взаимодействие не универсальное, оно существует только между заряженными телами.

Классической теорией  электромагнитного взаимодействия является максвелловская электродинамика. В качестве константы связи принимается заряд электрона e.

Если рассмотреть два  покоящихся точечных заряда q1 и q2 , то их электромагнитное взаимодействие сведется к известной электростатической силе. Это означает, что взаимодействие является дальнодействующим и медленно спадает с ростом расстояния между зарядами. Заряженная частица испускает фотон, в силу чего состояние ее движения изменяется. Другая частица поглощает этот фотон и также изменяет состояние своего движения. В результате частицы как бы чувствуют наличие друг друга. Хорошо известно, что электрический заряд является размерной величиной. Удобно ввести безразмерную константу связи электромагнитного взаимодействия. Для этого надо использовать фундаментальные постоянные   и c. В результате приходим к следующей безразмерной константе связи, называемой в атомной физике постоянной тонкой структуры

 

 

Легко заметить, что данная константа значительно превышает  константы гравитационного и  слабого взаимодействий.

С современной точки зрения электромагнитное и слабое взаимодействия представляют собой различные стороны  единого электрослабого взаимодействия. Создана объединенная теория электрослабого взаимодействия - теория Вайнберга-Салама-Глэшоу, объясняющая с единых позиций все аспекты электромагнитных и слабых взаимодействий. Можно ли понять на качественном уровне, как происходит разделение объединенного взаимодействия на отдельные, как бы независимые взаимодействия?

Пока характерные энергии  достаточно малы, электромагнитное и  слабое взаимодействия отделены и не влияют друг на друга. С ростом энергии  начинается их взаимовлияние, и при  достаточно больших энергиях эти  взаимодействия сливаются в единое электрослабое взаимодействие. Характерная энергия объединения оценивается по порядку величины как 102 ГэВ (ГэВ - это сокращенное от гигаэлектрон-вольт, 1 ГэВ = 109 эВ, 1 эВ = 1.6·10-12 эрг = 1.6·1019 Дж). Для сравнения отметим, что характерная энергия электрона в основном состоянии атома водорода порядка 10-8 ГэВ, характерная энергия связи атомного ядра порядка 10-2 ГэВ, характерная энергия связи твердого тела порядка 10-10 ГэВ. Таким образом, характерная энергия объединения электромагнитных и слабых взаимодействий огромна по сравнению с характерными энергиями в атомной и ядерной физике. По этой причине электромагнитное и слабое взаимодействия не проявляют в обычных физических явлениях своей единой сущности.

 

 

4. Сильное взаимодействие.

 

Сильное взаимодействие является самым интенсивным. Оно отвечает за

процессы, которые происходят внутри атомных ядер, и за процессы взаимодействия элементарных частиц (кроме процессов, которые подчиняются слабым взаимодействиям). Квантами сильного взаимодействия являются  π- мезоны.

Поскольку атомные ядра большинства  химических элементов стабильны, то ясно, что взаимодействие, которое  удерживает их от распада, должно быть достаточно сильным. Хорошо известно, что ядра состоят из протонов и  нейтронов. Чтобы положительно заряженные протоны не разлетелись в разные стороны, необходимо наличие сил  притяжения между ними, превосходящих  силы электростатического отталкивания. Именно сильное взаимодействие является ответственным за эти силы притяжения.

Характерной чертой сильного взаимодействия является его зарядовая  независимость. Ядерные силы притяжения между протонами, между нейтронами и между протоном и нейтроном  по существу одинаковы. Отсюда следует, что с точки зрения сильных  взаимодействий протон и нейтрон  неотличимы и для них используется единый термин нуклон, то есть частица  ядра.

 

 

3. Сила тяжести.

Силой тяжести называют равнодействующую двух сил - силы ньютоновского притяжения всей массой Земли и центробежной силы, возникающей вследствие суточного вращения Земли. Отнесенные к единице массы, эти силы характеризуются ускорениями силы тяжести ( g=F/m), ньютоновского притяжения (f=Fн/m) и центробежным (P=P/m). Ускорение силы тяжести равно геометрической сумме ускорения притяжения и центробежного ускорения. Обычно в гравиметрии, когда говорят "сила тяжести", подразумевают именно ускорение силы тяжести.

 

 

Список  литературы

 

1. Григорьев В. И., Мякишев Г. Я. Силы в природе. – М.,1977. 
2. Бергман П. Загадка гравитации. -  М.: Наука, 1969
3. Профессор Яковенко В.А. Кафедра общей и теоретической физики. Курс лекций.