Kvant. Законы сохранения2

А так ли хорошо знакомы вам законы сохранения? // Квант. — 1987. — № 5. — С. 32-33.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"

...вещи не могут ни создаваться из ничего, ни,
однажды возникнув, вновь обращаться в ничто...
Лукреций Кар. «О природе вещей»

Развитие физики сопровождалось установлением самых разных законов сохранении, утверждающих, что в изолированных системах определенные величины не могут возникать или исчезать. Представления о том, что подобные законы существуют, возникли в глубине веков: приведенное в эпиграфе изречение Лукреция отражает еще античные взгляды. Сегодня физикам известно довольно много таких законов, часть из них знакома и вам — это законы сохранения импульса, энергии, заряда. Дальнейшее изучение физики позволит узнать, что есть весьма необычные законы сохранения, например, странности, четности и очарования. Но прежде — поработаем с теми, которые вы должны хорошо знать.

Вопросы и задачи

1. Может ли кинетическая энергия тела изменяться, если на тело не действуют силы?
2. Может ли кинетическая энергия тела оставаться неизменной, если равнодействующая приложенных к телу сил отлична от нуля?
3. Когда перенос электрического заряда из одной точки электрического поля в другую не сопровождается изменением энергии?
4. В какие виды энергии превращается при фотоэффекте энергия падающего на вещество света?
5. Каким образом космонавт, не связанный с кораблем, может вернуться на корабль?
6. Зависит ли полный импульс хорошо центрированного маховика от частоты его вращения?
7. В массивный однородный цилиндр, который может без трения вращаться вокруг горизонтальной оси, попадает пуля, летящая горизонтально со скоростью υ, и после удара о цилиндр падает на тележку. Зависит ли скорость тележки, которую она приобретает после удара пули, того, в какую часть цилиндра попадет пуля?

   

8. Излучая фотон, атом газа изменяет свой импульс. Почему это изменение неизбежно?
9. В процессе аннигиляции электрона и позитрона никогда не возникает один гамма-квант. Какой из законов сохранения проявляется в этом факте?
10. Металлическая пластина зарядилась под действием рентгеновских лучей. Каков знак заряда?
11. При аннигиляции электрона с позитроном образуются гамма-кванты; однако такого не происходит при встрече двух электронов или двух позитронов. Какой здесь сказывается закон сохранения?

Микроопыт

Пройдите от кормы неподвижной поначалу лодки к ее носовой части. Почему лодка станет двигаться в противоположную сторону?

Любопытно, что…

...часто некоторые законы сохранения оказываются справедливыми лишь при описании ограниченного круга явлений. Так, при изучении химических реакций можно считать, что масса сохраняется, однако при ядерных реакциях применение такого закона выло вы ошибочным, так как, например, масса конечных продуктов деления урана меньше массы исходного количества урана.

...если бы закон сохранения заряда не являлся вполне точным законом природы, то электрон мог бы распасться, например, на нейтрино и фотон. Поиски таких распадов, однако, не увенчались успехом и показали, что время жизни электрона по крайней мере не меньше 10²¹ лет. (Возраст же Вселенной оценивается сегодня учеными в 10¹⁰ лет.)

...именно закон сохранения заряда подсказал Дж. Максвеллу идею о возможном возникновении магнитного поля в результате изменения электрического поля. Развитие этой идеи привело Максвелла к предсказанию периодических электромагнитных процессов, распространяющихся в пространстве. Вычисленное значение скорости распространения оказалось в точности равным ранее измеренной скорости света.

Что читать в «Кванте» о законах сохранения

1. «Столкновения тел» — 1984, № 4;
2. «Как вводятся физические величины» — 1984, № 10;
3. «Импульс и кинетическая энергия» — 1985, № 5 (с. 28);
4. «Механическая работа и механическая энергия» — 1985, № 5;
5. «Волк, барон и Ньютон» — 1986, № 9;
6. «Атомная физика в задачах» — 1986, № 12;
7. «Закон сохранения энергии» — 1987, № 5.

Ответы

1. Нет, не может.
2. Может, если равнодействующая, отличная от нуля, составляет угол 90° с направлением перемещения тела.
3. В том случае, когда начальная и конечная точки находятся на эквипотенциальной поверхности.
4. В потенциальную энергию системы «тело+ +электроны» и в кинетическую энергию электронов.
5. Один из способов — отбросить какой-либо предмет в сторону, строго противоположную кораблю; тогда космонавт приобретет скорость, направленную к кораблю.
6. Векторная сумма импульсов любой пары симметричных элементов маховика равна нулю. Следовательно, и суммарный импульс всего маховика тоже равен нулю.

   

7. Импульс вращающегося цилиндра равен нулю (см. задачу 6). Значит, скорость тележки будет такой, как если бы цилиндр был неподвижно закреплен.
8. Система «атом газа+фотои» — замкнутая, а фотон обладает импульсом.
9. Закон сохранения импульса.
10. Поскольку рентгеновские лучи «выбивают» из пластинки электроны, она зарядится положительно.
11. Закон сохранения заряда.

Микроопыт

Поскольку вы приобрели скорость относительно воды, то, в соответствии с законом сохранения импульса, лодка должна приобрести скорость противоположного направления.