Какими свойствами обладают силы взаимодействия
Астрономия для любителей →
Квантовая физика и Вселенная →
Виды взаимодействий
Взаимодействие является универсальной характеристикой различных систем, структур и наук. Многие природные объекты, материальные и нематериальные явления невозможно объяснить без взаимодействия, иначе взаимного действия, воздействия, влияния, которое оказывают объекты друг на друга. Основной причиной движения материи также является взаимодействие. Как и движение, категория взаимодействия универсальна.
В науке принято выделять четыре не сводящихся друг к другу вида взаимодействий. Это гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. В физике причиной изменения движения тел является сила. Исследуя окружающий нас мир, мы можем заметить множество разнообразных сил: сила тяжести, сила сжатия пружины, сила, возникающая при столкновении тел, сила трения и другие. Однако, когда была выяснена атомарная структура вещества, стало понятно, что все разнообразие этих сил есть результат взаимодействия атомов друг с другом. Поскольку атомы взаимодействуют через электростатическое поле электронных оболочек, то, как оказалось, все эти силы — лишь различные проявления электромагнитного взаимодействия. Действительно, представим себе два сталкивающихся бильярдных шара. Всегда слышится звук удара, но что при этом происходит. Всего навсего взаимодействовали электронные оболочки атомов.
Единственное исключение из этого многообразия сил — сила тяжести, причиной которой является гравитационное взаимодействие между двумя массивными телами. Чтобы понять, что представляют собой два оставшихся взаимодействия, нужно чуть лучше познакомиться с миром элементарных частиц.
Заглянем внутрь атомного ядра. Ядро состоит из двух видом элементарных частиц – протонов и нейтронов. Протоны – положительно заряженные элементарные частицы, довольно тяжелые (почти в 2000 раз тяжелее электрона). Нейтроны не имеют электрического заряда, еще чуть более тяжелые, чем протоны. Знание точных показателей массы и зарядов протонов и нейтронов дает возможность понять, что ядра атомов не смогли бы существовать только при наличии гравитационного и электрического взаимодействия. Сто лет назад именно такое положение вещей навело ученых на мысль о существовании еще одного типа взаимодействия – сильного.
Как оказалось позднее, и сильного взаимодействия недостаточно для описания всех процессов, происходящих в микромире. Необходимо было существование еще одного слабого взаимодействия. Для того чтобы понять, что представляют собой все эти виды взаимодействий проведем их сравнительную характеристику.
Гравитационное взаимодействие
В гравитационном взаимодействии участвуют все тела, обладающие массой, вне зависимости от их природы. Гравитационные силы являются лишь силами притяжения, так как все тела обладают положительной массой (за исключением темной энергии). Это взаимодействие определяется фундаментальным законом всемирного тяготения. Гравитационные силы убывают пропорционально квадрату расстояния между взаимодействующими телами. Закон всемирного тяготения Ньютона описывается формулой:
, где G — гравитационная постоянная.
Гравитационное взаимодействие определяет падание тел под действием силы тяготения Земли, а также движение планет в Солнечной системе, движение галактик во Вселенной и т.д.
То есть гравитация играет решающую роль лишь в Мегамире, в космических пространствах. На Земле же гравитационное взаимодействие самое слабое, поэтому в теории элементарных частиц оно вовсе не учитывается (10-13 см).
Электромагнитное взаимодействие
Электромагнитное взаимодействие очень похоже на гравитационное. Отличие лишь в том, что у нас есть как положительные, так и отрицательные заряды, отсюда и возникновение как электрических, так и магнитных полей. Электромагнитное взаимодействие более сильное, чем гравитационное из-за большей константы связи (заряды в один кулон притягиваются сильнее, чем массы в один килограмм).
Данное взаимодействие позволяет электронам и атомным ядрам объединяться в атомы, атомам – в молекулы, а значит такое взаимодействие является основным в химических и биологических процессах. Без электромагнитного взаимодействия не было бы ни молекул, ни тепла, ни света, ни других макрообъектов. Законы Кулона, Ампера и электромагнитная теория Максвелла объясняет и описывает электромагнитное взаимодействие. Оно является основой создания самых разных радиоприемников, компьютеров, телевизоров и других электроприборов.
Электромагнитное взаимодействие в тысячу раз слабее сильно, но зато более дальнодействующее.
Сильное взаимодействие
Иначе этот вид взаимодействия называют ядерным, судя по названию оно самое сильное из всех представленных. Такое взаимодействия происходит на уровне атомных ядер. Ядерные силы – это один из видов проявления сильного взаимодействия. Это взаимодействие было открыто в 1911 году Э. Резерфордом практически одновременно с открытием ядра атома. Сильное взаимодействие передается с помощью глюонов, а протон и нейтрон теряют свои заряды и рассматриваются в сильном взаимодействии как нуклоны.
Ядра атомов являются очень устойчивыми системами, которые тяжело разрушить именно благодаря сильному взаимодействию частиц внутри атома. Без такого взаимодействия не смогли бы существовать атомные ядра, Солнце не смогло бы генерировать теплоту и свет без ядерных реакций, которые тоже возможно только благодаря сильному взаимодействию.
Слабое взаимодействие
Такой вид взаимодействия является короткодействующим, проявляется на очень малых расстояниях (10-15– 10-22 см.). При слабом взаимодействии процессы между частицами протекают медленнее, благодаря нему большинство известных нам частиц нестабильно. Слабое взаимодействие связано с распадом частиц, в частности, с превращениями протона в нейтрон, позитрон и нейтрино, которые происходит в ядре. Переносчиками слабого взаимодействия являются вионы. Слабое взаимодействие – особый вид не контактного взаимодействия, связь осуществляется с помощью обмена промежуточными тяжелыми частицами — бозонами.
Из-за наличия данного вида взаимодействия возможно совершение ядерных реакций внутри Солнца, а значит, Солнце светит и дарит нам тепло именно благодаря слабому взаимодействию. Возникновение новых звезд также возможно из-за слабого взаимодействия.
Сила слабого и сильного взаимодействия очень быстро убывает с расстоянием. Так, например, в достаточно большом атомном ядре (например, уран) сила притяжения нуклонов находящихся на диаметрально противоположных концах ядра очень мала. Именно поэтому ядро урана нестабильно и подвержено самопроизвольному распаду. На достаточно малых расстояниях сила сильного взаимодействия превосходит силу электромагнитного. Это делает стабильными такие атомные ядра как литий натрий и т.п.
Аналогично электромагнитному заряду существует слабый заряд и сильный заряд. Поскольку на макроскопических расстояниях (сравнимых с размерами самих атомов и больше) это силы не действуют, то такие заряды приписываются только элементарным частицам. Элементарные частицы, обладающие сильным зарядом, называются барионами, к ним относятся, например, нуклоны – протон и нейтрон. Соответственно все они участвуют в сильном взаимодействии. Электрон и ряд других частиц не обладают таким зарядом и не участвуют в сильном взаимодействии. В слабом взаимодействии участвуют все частицы.
Существуют такие частицы, которые участвуют только в слабом и гравитационном взаимодействии – это нейтрино. Из-за такой особенности их очень тяжело обнаружить в эксперименте.
Таким образом, описанными выше четырьмя видами взаимодействиями определяется то, как взаимодействуют все известные объекты: от элементарных частиц до звезд и галактик. Например, сильное и слабое взаимодействия полностью определяют время жизни всех элементарных частиц, а гравитация – движение звезд и планет. Однако, пока еще не все процессы во Вселенной удается объяснить, и потому продолжаются поиски новых типов взаимодействий.
Автор статьи: Михаил Карневский
Обновлено Татьяна Сидорова 29.03.2018
Перепечатка без активной ссылки запрещена!
Источник
Нас окружают разнообразные предметы. Мы можем увидеть, что это либо твердые тела, либо жидкости, либо газы. Возникает масса вопросов обо всем, что нас окружает. Ответы на многие вопросы дает молекулярно-кинетическая теория.
Молекулярно-кинетическая теория – это совокупность воззрений, используемых для описания наблюдаемых и измеряемых свойств вещества на основе изучения свойств атомов и молекул данного вещества, их взаимодействия и движения.
Основные положения молекулярно-кинетической теории
Все тела состоят из частиц – атомов, молекул, ионов.
Все частицы находятся в непрерывном хаотическом тепловом движении.
Между частицами любого тела существуют силы взаимодействия – притяжения и отталкивания.
Таким образом, в молекулярно-кинетической теории объектом исследования является система, состоящая из большого количества частиц – макросистема. Для объяснения поведения такой системы законы механики не применимы. Поэтому основным методом исследования является статистический метод изучения свойств вещества.
Для объяснения и предсказания явлений важно знать основные характеристики молекул:
- Размеры
Оценка размера молекулы может быть сделана как размер кубика a в котором содержится одна молекула, исходя из плотности твердых или жидких веществ и массы одной молекулы:
- Масса молекул
Отношение массы вещества m к числу молекул N в данном веществе:
- Относительная молекулярная масса
Отношение массы молекулы (или атома) данного вещества к 1/12 массы атома углерода:
- Количество вещества
Количество вещества равно отношению числа частиц N в теле (атомов – в атомарном веществе, молекул – в молекулярном) к числу молекул в одном моле веществаNА:
- Постоянная Авогадро
Количество молекул, содержащихся в 1 моль вещества.
- Молярная масса
Молярной массой вещества называют массу вещества, взятого в количестве 1 моля.
В Международной системе единиц молярная масса вещества выражается в кг/моль.
- Взаимодействие (количественно на основе опытов)
Для взаимодействия молекул характерно одновременно и притяжение, и отталкивание: на расстояниях r<r доминирует отталкивание, на расстоянии r>r – притяжение, причем оно быстро убывает. На расстоянии r система двух молекул обладает минимумом потенциальной энергии (сила взаимодействия равна нулю) – это состояние устойчивого равновесия
Молекулярно-кинетическая теория дает возможность понять, почему вещество может находиться в газообразном, жидком и твердом состояниях. С точки зрения МКТ агрегатные состояния различаются по значению среднего расстояния между молекулами и характеру движения молекул друг относительно друга.
Основные положения молекулярно-кинетической теории неоднократно подтверждались различными физическими экспериментами. Например, исследованием:
А) Диффузии
Б) Броуновского движения
Краткие итоги
Молекулярно-кинетическая теория объясняет строение и свойства тел на основе движения и взаимодействия атомов, молекул и ионов. В основе МКТ лежат три положения, которые полностью подтверждены экспериментально и теоретически:
1) все тела состоят из частиц – молекул, атомов, ионов;
2) частицы находятся в непрерывном хаотическом тепловом движении;
3) между частицами любого тела существуют силы взаимодействия – притяжения и отталкивания.
Молекулярное строение вещества подтверждается непосредственным наблюдением молекул в электронных микроскопах, а также растворением твердых веществ в жидкостях, сжимаемостью и проницаемостью вещества. Тепловое движение – броуновским движением и диффузией. Наличие межмолекулярного взаимодействия прочностью и упругостью твердых тел, поверхностным натяжением жидкостей.
Опорный конспект к уроку:
Вопросы для самоконтроля по блоку «Основные положения молекулярно-кинетической теории и их опытное обоснование»
- Сформулируйте основные положения молекулярно-кинетической теории.
- Какие наблюдения и эксперименты подтверждают основные положения молекулярно-кинетической теории?
- Что такое молекула? атом?
- Что называют относительной молекулярной массой? Какая формула выражает это понятие?
- Что называют количеством вещества? Какая формула выражает это понятие? Какова единица количества вещества?
- Что называют постоянной Авогадро?
- Что такое молярная масса вещества? Какая формула выражает смысл этого понятия? Какова единица молярной массы?
- Какова природа межмолекулярных сил?
- Какими свойствами обладают силы молекулярного взаимодействия?
- Как силы взаимодействия зависят от расстояния между ними?
- Опишите характер движения молекул в газах, жидкостях и твердых телах.
- Каков характер упаковки частиц у газов, жидкостей и твердых тел?
- Каково среднее расстояние между молекулами у газов, жидкостей и твердых тел?
- Перечислите основные свойства газов, жидкостей, твердых тел.
- Что называют броуновским движением?
- О чем свидетельствует броуновское движение?
- Что называют диффузией? Приведите примеры диффузии в газах, жидкостях и твердых телах.
- 18. Как зависит скорость диффузии от температуры тел?
Источник
Представьте себе, что вы поднимаете гирю, действуя на нее рукой с некоторой силой Fгр, направленной вверх (рис. 89). В этом случае вы почувствуете, что гиря тоже действует на вашу руку. При этом гиря будет тянуть вашу руку вниз с силой Fрг.
Индексы «г» (гиря) и «р» (рука) в записи Fгр означают, что эта сила действует на гирю (первый индекс) со стороны руки (второй индекс). Соответственно индексы «р» и «г» в записи силы Fрг означают, что эта сила действует на руку (первый индекс) со стороны гири (второй индекс). Такую систему обозначения сил взаимодействия двух тел мы будем использовать и в дальнейшем.
Оказывается, силы в природе всегда возникают парами. Если первое тело действует на второе, то второе тело действует на первое. Таким образом, действие двух тел друг на друга всегда имеет взаимный характер. При этом говорят, что два тела взаимодействуют друг с другом. Отметим, что силы взаимодействия приложены к разным телам.
Эти силы подчиняются конкретным правилам, которые Ньютон сформулировал в виде фундаментального закона природы. В настоящее время этот закон называют третьим законом Ньютона.
Два тела взаимодействуют друг с другом с силами:
1) равными по модулю;
2) противоположными по направлению;
3) лежащими на одной прямой.
Строго говоря, в третьем законе Ньютона также сказано, что силы взаимодействия двух тел всегда являются силами одной природы. Но об этом мы поговорим с вами позднее, когда изучим виды существующих в природе сих.
Подчеркнем еще раз, что силы, о которых говорится в третьем законе Ньютона, приложены к равным телам, т. е. к телам, которые взаимодействуют друг с другом. Поэтому эти силы не могут уравновесить друг друга.
Силы взаимодействия двух тел приложены к разным телам и поэтому не уравновешивают друг друга.
Обратим внимание на то, что, в отличие от второго закона Ньютона, в котором речь идет об одном теле, в третьем законе речь идет о двух взаимодействующих друг с другом телах.
Применим третий закон Ньютона к силам, изображенным на рис. 89.
В соответствии с первым пунктом |Fрг| = |Fгр|. То есть модуль силы, с которой на руку действует гиря, равен модулю силы, с которой на гирю действует рука.
В соответствии со вторым пунктом Fгр = -Fрг. Действительно, сила Fгр, с которой рука действует на гирю, направлена вверх, а сила Fрг, с которой гиря действует на руку, направлена в противоположную сторону – вниз.
Как вы уже знаете, два тела могут взаимодействовать друг с другом не только при касании, но и на расстоянии. Например, кусок железа и магнит (рис. 90), расположенные на разных тележках, притягиваются друг к другу. При этом силы их взаимодействия удовлетворяют третьему закону Ньютона: они равны по модулю, противоположны по направлению и лежат на одной прямой.
Со временем мы убедимся в том, что с помощью второго и третьего законов Ньютона можно вывести большинство законов механики и решать практически все механические задачи. Уже в следующей главе, посвященной видам сил в механике, вы увидите, насколько эффективно использование законов Ньютона.
Поясним, как надо использовать законы Ньютона при решении задач, на следующем простом примере.
На рис. 91 изображен локомотив, толкающий перед собой вагон массой m = 40 т по горизонтальному участку железнодорожного пути. В результате действия локомотива вагон движется по рельсам с ускорением, модуль которого |a| = 1 м/с2. Найдем силу Fлв, действующую на локомотив со стороны вагона, считая, что в горизонтальном направлении других действий на вагон нет.
Решение. Выберем систему отсчета, связанную с рельсами: направим ось X по ходу движения локомотива. Поскольку рельсы неподвижны относительно Земли, связанную с ними систему отсчета можно считать инерциальной. Будем считать вагон и локомотив точечными телами. Направление ускорения вагона совпадает с положительным направлением оси X. Поэтому значение a этого ускорения положительно, а значение Fвл силы, действующей на вагон со стороны локомотива, согласно второму закону Ньютона удовлетворяет соотношению m · a = Fвл. Следовательно,
Fвл = m · a = 40000 кг · 1 м/с2 = 40 кН.
Теперь можно определить силу Fлв, действующую на локомотив со стороны вагона. Согласно третьему закону Ньютона модуль этой силы равен найденному нами значению Fвл. Направлена же сила Fлв противоположно силе Fвл, т. е. противоположно направлению ускорения a вагона.
Итоги
Если первое тело действует на второе, то второе тело при этом действует на первое. Про такие тела говорят, что они взаимодействуют друг с другом.
Третий закон Ньютона.
Два тела взаимодействуют друг с другом с силами:
1) равными по модулю;
2) противоположными по направлению;
3) лежащими на одной прямой.
Кратко этот закон может быть записан в виде: F12 = -F21, где F12 – сила, действующая на первое тело со стороны второго тела, F21 – сила, действующая на второе тело со стороны первого.
Силы, о которых говорится в третьем законе Ньютона, приложены к разным телам, т. е. к телам, которые взаимодействуют друг с другом. Поэтому эти силы не могут уравновешивать друг друга.
Вопросы
- Приведите примеры взаимодействующих тел.
- Сформулируйте третий закон Ньютона.
- Какими свойствами обладают силы взаимодействия?
- Могут ли силы взаимодействия уравновесить друг друга?
- Чему равна сумма сил взаимодействия двух тел?
Упражнения
- Определите силу (модуль и направление), с которой давит на спинку сиденья водитель массой m = 80 кг, если его автомобиль разгоняется по прямолинейному горизонтальному участку дороги с ускорением a = 4 м/с2. Считайте, что в горизонтальном направлении на водителя действует только спинка сиденья.
- Определите, с какой силой действует на ремень безопасности водитель массой m = 100 кг, если после нажатия на педаль тормоза его автомобиль сбрасывает скорость от 108 км/ч до нуля за 6 с на прямолинейном горизонтальном участке дороги. Считайте, что в горизонтальном направлении на водителя действует только ремень безопасности.
Источник