Макромир, мегамир и микромир в физике - подробное объяснение с примерами

Содержание:

Макромир, мегамир и микромир. взаимодействия и силы:

Совокупность окружающих нас тел, которые можно наблюдать невооруженным глазом, называют макромиром.

Это слово происходит от греческого слова «макрос» — большой. Макромир на самом деле велик: от песчинки до д Земли! Именно изучая макромир, ученые начали открывать законы природы: так, Галилео Галилей открыл закон инерции и установил, что причиной различия в падении тел является только сопротивление воздуха.

Мегамир

Мир космических тел называют мегамиром.

Это слово происходит от греческого слова «мега» — огромный. Первый шаг в изучении мегамира сделал также Галилей. С помощью созданного им телескопа он открыл, что у Юпитера, самой большой планеты Солнечной системы, есть спутники. А в середине 17-го века голландский ученый Христиан Гюйгенс, также с помощью телескопа, открыл, что у второй по величине планеты, Сатурна, есть замечательное «украшение» в виде гигантского кольца. На рис. 4.1 приведены сделанные с помощью телескопа фотографии Юпитера и Сатурна (рядом с ними в том же масштабе изображена Земля). Галилей открыл также, что Млечный Путь является колоссальным звездным скоплением.

На рис. 4.2 показан Млечный Путь, каким он виден невооруженным глазом, а на рис. 4.3 — малая часть Млечного Пути, видимая в телескоп. Со времен Галилея телескопы значительно усовершенствовали, благодаря чему астрономы открыли множество огромных звездных систем, каждая из которых состоит из сотен миллиардов звезд! Такие звездные системы назвали галактиками. Одна из них показана на рис. 4.4. Млечный Путь тоже является галактикой.

Микромир

Мир частиц, из которых состоит вещество, называют микромиром.

Это слово происходит от греческого «микрос» — малый. В 17-м веке изобрели микроскоп — прибор для рассматривания очень малых предметов. И сразу выяснилось, что в «малом» ученых ждут не менее удивительные открытия, чем в «великом».

В начале 19-го века английский ботаник Роберт Броун увидел в микроскоп, что взвешенные в воде мелкие частицы цветочной пыльцы пребывают в «вечном танце». Как установили со временем ученые, это непрерывное движение частиц пыльцы обусловлено беспрестанными ударами молекул. Открытие Броуна позволило впервые заглянуть в мир частиц, размеры которых составляют миллионные доли миллиметра!

Как выяснилось со временем, молекулы состоят из еще более мелких частиц — атомов, а атомы, в свою очередь, u состоят из еще более мелких частиц! И это захватывающее путешествие в глубины вещества еще не закончено... На рис. 4.5 изображена модель молекулы воды, состоящей из трех атомов. А на рис. 4.6 вы видите модель строения атома: вокруг положительно заряженного атомного ядра движутся отрицательно заряженные легчайшие частицы — электроны. Атомное ядро тоже является составным: оно состоит из частиц, между которыми действуют огромные силы притяжения. О молекулах и атомах мы расскажем в Главе 2 «Строение вещества».

Взаимодействия в макромире

Силы упругости

Наблюдения показывают, что при непосредственном контакте твердые тела как бы «упираются» друг в друга: поэтому, например, мы не проваливаемся «сквозь землю». Когда тела давят друг на друга, между ними действуют силы упругости. Они обусловлены деформацией тел, то есть изменением их формы. И хотя часто на глаз мы не замечаем деформации тела, ее можно измерить приборами. Иногда же телу намеренно придают такую форму, чтобы его деформация была хорошо заметной, — именно такую форму, например, имеют пружины. Сила упругости — проявление сил электрического взаимодействия между частицами вещества. Об этих силах вы узнаете далее.

Силы трения

Делая шаг, вы отталкиваетесь от Земли с некоторой силой (рис. 4.7). Земля же при этом толкает вас вперед с силой . Обе эти силы являются силами трения. Сила трения разгоняет также автомобили и мотоциклы благодаря тому, что их колеса отталкиваются от дороги (рис. 4.8). Тормозят автомобили тоже благодаря силам трения: тормозные колодки прижимаются к ободам колес и останавливают их вращение.

Силы трения действуют между соприкасающимися телами, движущимися друг относительно друга, а также когда одно тело пытаются сдвинуть относительно другого. Эти силы всегда препятствуют движению одного тела относительно другого.

Силы трения играют огромную роль в макромире, хотя мы их часто не замечаем: так, благодаря им ткани не распадаются на нити, а нити — на волокна. Силы трения, как и силы упругости, — проявление сил электрического взаимодействия между частицами вещества.

Сила тяготения

Третья сила, которая заметно проявляет себя в макромире, — это сипа тяготения, о которой мы уже рассказывали.

Электрические и магнитные силы

ПОСТАВИМ ОПЫТЫ:

Выясним на опыте, могут ли тела взаимодействовать, не касаясь друг друга, то есть на расстоянии.

Расчешите сухие волосы пластмассовой расческой, и она станет притягивать кусочки бумаги (рис. 4.9).

Поднесите магнит к скрепкам или шурупам. Вы увидите, что магнит притягивает эти предметы (рис. 4.10).

В первом опыте действовали электрические силы, а во втором — магнитные. Электрические силы действуют между электрически заряженными телами и частицами. Приобретать электрический заряд тела могут, например, благодаря трению: при этом некоторое количество электронов переходит с одного тела на другое. Тело, потерявшее электроны, приобретает положительный заряд, а тело, на которое перешли электроны, — отрицательный. Заряженное тело, как мы видели, притягивает и незаряженные тела, поскольку в них происходит перераспределение электрических зарядов.

Магнитные силы действуют, например, между постоянными магнитами. У любого магнита есть северный и южный полюсы, названные так потому, что северный полюс свободно подвешенного магнита указывает на север, а южный — на юг. Одноименные (северный-северный или южный-южный) полюсы магнита отталкиваются, а разноименные (северный и южный) — притягиваются. Как мы видели, магнитные силы обнаруживают себя и в притяжении постоянными магнитами железных и стальных предметов. Законы электрических сил установил на опыте французский ученый Шарль Огюстен Кулон в 18-м веке. А в 19-м веке датский ученый Ханс Кристиан Эрстед и французский ученый Андре Мари Ампер обнаружили, что вблизи проводника с током магнитная стрелка поворачивается, а катушка с током притягивает железные и стальные предметы подобно постоянному магниту. Опираясь на эти и свои собственные опыты, английский ученый Майкл Фарадей предположил, что электрическое и магнитное взаимодействия являются проявлениями единого электромагнитного взаимодействия, а его соотечественник Клерк Джеймс Максвелл создал теорию электромагнитных взаимодействий.

• Заказать решение задач по физике

Взаимодействия в мегамире

Однажды — это было в 1666 году — падение яблока заставило задуматься юного англичанина Исаака Ньютона: — Может, сила тяготения, действующая со стороны Земли на яблоко, имеет ту же физическую природу, что и сила, которая «заставляет» Луну двигаться вокруг Земли? А может, ту же самую природу имеют и силы, которые «удерживают» планеты на их орбитах вокруг Солнца? Это предположение, будь оно правильным, давало захватывающую возможность понять строение Вселенной! Чтобы проверить его, Ньютон создал даже новые разделы математики — дифференциальное и интегральное исчисления.

Расчеты подтвердили предположение ученого. Так был открыт закон всемирного тяготения. А «яблоко Ньютона» навсегда стало символом гениальной догадки.

Силы всемирного тяготения — важнейшие силы в мегамире. Они «управляют» движением планет, звезд и даже галактик, а также «зажигают» звезды, сжимая огромные массы вещества. При этом температура внутри повышается до десятков миллионов градусов, когда «вступают в игру» ядерные силы, о которых мы расскажем далее.

В начале 20-го века Альберт Эйнштейн предположил, что силы тяготения — проявление искривления пространства вблизи массивных тел. Теория Эйнштейна получила название «общей теорией относительности». Ее следствия были подтверждены астрономическими наблюдениями. Исходя из этой теории, физик Джордж Гамов, родившийся в Украине, смог разгадать загадку происхождения Вселенной (см. § 7. Выдающиеся ученые — наши соотечественники)

Взаимодействия в микромире

Вещество не распадается на отдельные частицы благодаря электрическому взаимодействию: притяжение разноименных зарядов удерживает электроны вблизи атомных ядер, соединяет атомы в молекулы, а молекулы — в вещество.

Чтобы вы смогли представить «могущество» этих сил, приведем пример. Если бы из одной столовой ложки воды можно было «перенести» в другую столовую ложку воды только одну миллионную долю электронов, то эти две ложки воды, находясь на расстоянии одного метра, притягивались бы с силой, равной примерно весу груженого товарного состава длиной от Киева до Харькова! Вот какие колоссальные силы скрыты под гладью воды в одной столовой ложке.

Но даже эти силы очень малы по сравнению с ядерными силами, удерживающими вместе частицы, из которых состоит атомное ядро. Ядерные силы больше электрических примерно в сто раз! Именно действие ядерных сил поддерживает «горение» звезд, в частности и нашего Солнца. Как свидетельствуют наблюдения и расчеты, Солнце светит уже около пяти миллиардов лет. И будет светить еще по крайней мере столько же! В курсе физики старших классов вы узнаете, как ученые «заставили» работать ядерные силы и на Земле.