XIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Что будет, если исчезнут основные законы физики?

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Стешенко А.А. 1

---

1МАОУ Образовательный Центр 2

Стешенко О.В. 1

---

1Частный репетитор

Работа в формате PDF

1.2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

«Введение»

Цель работы:

Узнать, что будет, если все основные законы по физике станут не актуальны.

Задачи:

Выяснить, как данный эксперимент отразится на жизнь?

Какие он несёт последствия?

Чем он интересен для общества?

Актуальность работы:

Содержимое работы, позволит выйти за рамки науки. Поможет оправдать либо опровергнуть тот иной закон. Узнать больше, чем из школьной программы. А также провести любой эксперимент в домашних условиях самостоятельно.

Тема: Что будет если исчезнут законы физики?

1.Что такое физика?

Для начала давайте разберёмся, что такое физика. Какую науку она из себя предоставляет.

Фи́зика (от др.-греч. φυσική — «природный» от φύσις — «природа») — область естествознания: наука о наиболее общих законах природы, о материи, её структуре, движении и правилах трансформации. Понятия физики и её законы лежат в основе всего естествознания. Является точной наукой.

Интересный факт

Термин «физика» впервые фигурирует в сочинениях одного из величайших мыслителей древности — Аристотеля (IV век до нашей эры). Первоначально термины «физика» и «философия» были синонимами, так как в основе обеих дисциплин лежало стремление объяснить законы функционирования Вселенной. Однако в результате научной революции XVI века физика развилась в самостоятельную научную отрасль.

1.2 Прогресс не стоит на месте

Знания физики процессов, происходящих в природе, постоянно расширяются и углубляются. Большинство новых открытий вскоре получают технико-экономическое применение (в частности в промышленности). Однако перед исследователями постоянно встают новые загадки, — обнаруживаются явления, для объяснения и понимания которых требуются новые физические теории. Несмотря на огромный объём накопленных знаний, современная физика ещё очень далека от того, чтобы объяснить все явления природы.

1.3 Научный метод

Физика — естественная наука. Источником знаний для неё является практическая деятельность:

наблюдения,

экспериментальное исследование явлений природы,

производственная деятельность.

Правильность физических знаний проверяется экспериментом, использованием научных знаний в производственной деятельности. Обобщением результатов научных наблюдений и эксперимента являются физические законы, которыми объясняются эти наблюдения и эксперименты. Физика сосредоточена на изучении фундаментальных и простейших явлений и на ответах на простые вопросы: из чего состоит материя, каким образом частицы материи взаимодействуют между собой, по каким правилам и законам осуществляется движение частиц и т. д.

1.4 От физических теорий к законам физики

В основе физических исследований лежит установление фактов путём наблюдения и эксперимента. Анализ данных совокупности экспериментов позволяет выявить и сформулировать закономерность. На первых этапах исследований закономерности носят преимущественно эмпирический, феноменологический характер, — то есть явление описывается количественно с помощью определённых параметров, характерных для исследуемых тел и веществ. Полученные факты подвергаются упрощению, идеализации путём введения идеальных объектов. На основе идеализации создаются модели исследуемых объектов и явлений. Физические объекты, модели и идеальные объекты описываются на языке физических величин. Затем устанавливаются связи между явлениями природы и выражаются в форме физических законов. Физические законы проверяются с помощью продуманного эксперимента, в котором явление (феномен) проявлялось бы в как можно более чистом виде и не осложнялось бы другими явлениями (феноменами). Анализируя закономерности и параметры, физики строят физические теории, которые позволяют объяснить изучаемые явления на основе представлений о строении тел и веществ и взаимодействие между их составными частями. Физические теории, в свою очередь, создают предпосылки для постановки точных экспериментов, в ходе которых в основном определяются рамки их применимости. Общие физические теории позволяют формулировать физические законы, которые считаются общими истинами, пока накопление новых экспериментальных результатов не потребует их уточнения или пересмотра.

1.5 Физика в измерениях

Физика — количественная наука. Физический эксперимент опирается на измерения, то есть сравнение характеристик исследуемых явлений с определёнными эталонами. С этой целью физика развила совокупность физических единиц и измерительных приборов. Отдельные физические единицы объединяются в системы физических единиц. Так, на современном этапе развития науки стандартом является Международная система единиц (СИ), но большинство теоретиков по-прежнему предпочитает пользоваться Гауссовой системой единиц (СГС).

Интересный факт

Гауссова система единиц - это система единиц, которая широко применялась до введения Международной системы единиц (СИ). Система СГС считается строго научной системой единиц. В этой системе в механике основными единицами являются: длина в сантиметрах (см); масса в граммах (г);

Полученные экспериментально количественные зависимости позволяют использовать для своей обработки математические методы и строить теоретические, то есть математические модели изучаемых явлений.

С изменением представлений о природе тех или иных явлений меняются также физические единицы, в которых измеряются физические величины. Так, например, для измерения температуры сначала были предложены произвольные температурные шкалы, которые делили промежуток температур между характерными явлениями (например, замерзанием и кипением воды) на определённое количество меньших промежутков, которые получили название градусов температуры. Для измерения количества теплоты была введена единица — калория, которая определяла количество теплоты, необходимой для нагрева грамма воды на один градус. Однако со временем физики установили соответствие между механической и тепловой формой энергии. Таким образом, оказалось, что предложенная ранее единица количества теплоты, калория, является излишней, как и единица измерения температуры. И количество теплоты, и температуру можно измерять в единицах механической энергии. В современную эпоху калория и градус не вышли из практического употребления, но между этими величинами и единицей энергии Джоулем существует точное числовое соотношение. Градус, как единица измерения температуры входит в систему СИ, а коэффициент перехода от температурной к энергетическим величинам — постоянная Больцмана — считается физической постоянной.

Рассмотрим таблицу № 1. Где представлена: величина, наименование единицы либо название единицы, обозначение.

Таблица № 1

1.6 История физики

Люди пытались понять свойства материи с древнейших времён: почему тела падают на землю, почему разные вещества имеют различные свойства и т. д. Интересовали людей также вопросы о строении мира, о природе Солнца и Луны. Сначала ответы на эти вопросы пытались искать в философии. В основном философские теории, которые пытались дать ответы на такие вопросы, не проверялись на практике. Однако, несмотря на то, что нередко философские теории неправильно описывали наблюдения, ещё в древние времена человечество добилось значительных успехов в астрономии, а великий греческий учёный Архимед даже сумел дать точные количественные формулировки многих законов механики и гидростатики. (разберём чуть позже)

Некоторые теории древних мыслителей, как, например, идеи об атомах, которые были сформулированы в древних Греции и Индии, опережали время. Постепенно от общей философии начало отделяться естествознание, важнейшей составной частью которого стала физика. Уже Аристотель использовал название «Физика» в заголовке одного из основных своих трактатов. Несмотря на ряд неправильных утверждений, физика Аристотеля на протяжении веков оставалась основой знаний о природе.

Историческая справка:

Архимед- древнегреческий учёный и инженер. Родился и большую часть жизни прожил в городе Сиракузы на Сицилии. Сделал множество открытий в области геометрии, предвосхитил многие идеи математического анализа.

Цитата: «Будь в моем распоряжении другая земля, на которую можно было бы встать, я сдвинул бы с места нашу.»

Аристотель (Aristoteles) (384-322 до н.э.) — великий др.-греч. философ и ученый, создатель логики, основатель психологии, этики, политики, поэтики.

Разобрав, что такое физика. И как она взаимодействует с нашим миром. Мы с лёгкость можем заявить, что физика очень полезная наука. Все мы живём по физическим законам. Все процессы происходящие вокруг нас, подаются объяснению физики. Но теперь давайте на миг, забудем о всех законах физики. И представим, что станет с миром? Как измениться наша жизнь? И докажем, нуждаемся ли мы в этой науке. Стоит ли нам её продолжать развивать и исследовать?

Коль мы затеяли такой эксперимент. Возьмём самые известные физические законы. Более распространённые и легко проводимые дома.

2.Закон всемирного тяготения

В 1682 году Исаак Ньютон открыл закон всемирного тяготения. Он звучит так: «все тела притягиваются друг к другу, сила всемирного тяготения прямо пропорциональна произведению масс тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними». Проще говоря, Сила тяготения - сила, которая действует между 2 любыми телами. Притягивая их друг к другу.

Возьмем два тела — одно с большой массой, другое с маленькой. Натянем гигантское полотно ткани и положим на него тело с большей массой. После чего положим туда тело с массой поменьше. Мы будем наблюдать примерно такой рисунок № 2:

Рисунок №2

Маленькое тело начнет притягиваться к тому, что больше, — это и есть гравитация. По сути, Земля — это большой шарик, а все остальные предметы — маленький (даже если это вовсе не шарики).

Гравитационное взаимодействие универсально. Оно справедливо для всех видов материи. Гравитация проявляется только в притяжении — отталкивание тел гравитация не предусматривает. Из всех фундаментальных взаимодействий гравитационное — самое слабое. Хотя гравитация действует между всеми элементарными частицами, она настолько слаба, что ее принято не учитывать. Все дело в том, что гравитационное взаимодействие зависит от массы объекта, а у частиц она крайне мала. Эту зависимость впервые сформулировал Исаак Ньютон.

Формула силы тяготения согласно этому закону выглядит так:

картинка №1

Важный нюанс!

Правильно говорить не «на тело действует сила тяготения», а «Земля притягивает тело с силой тяготения».

Согласитесь, полезный закон, а что будет если он исчезнет?

Предположения №1

Для начала, человек почувствует удивительную лёгкость. А после этого все вещи вокруг просто будут подниматься в воздух. Сначала самые простые и ненадёжно прикреплённые. Например: столы, кровати, животные, люди, посуда, лавочки и пр. Те самые летающие космонавты в космосе, будут реальны. Только уже на нашей планете. После 15-30 минут, дома и деревья тоже начнут отрываться от Земли. Так как невесомость будет продолжать расти. Из-за этого на планете ничего не останется. Все будет в воздухе, если конечно, не улетит дальше в слои атмосферы. Моря, океаны и воздух, также исчезнут. Ведь благодаря, гравитации всё оставалась на земле. Всё живое исчезнет на планете. Жизнь будет невозможна. Луна принадлежавшая Земле. Просто сойдет с орбиты. Порядок Солнечной системы будет нарушен. Возможно, планеты начнут сталкивать между собой, тем самым разрушать друг друга. Солнце будет сжигать планеты. И самая первая из планет столкнётся с Солнцем- это Меркурий. Солнце уничтожит Меркурий. И не остановится на этом. Продолжая уничтожать и сжигать всё на своём пути.

картинка №2

3.Закон сохранения и превращения энергии

закон сохранения и превращения энергии-общий закон природы, согласно которому. Энергия любой замкнутой системы, при всех процессах, происходящих в системе, остаётся постоянной. Энергия может только превращаться из одной формы в другую и перераспределяться между частями системы.

Для незамкнутой системы увеличение или уменьшение, её энергии равно убыли или возрастанию энергии взаимодействующих с ней тел физических полей.

картинка №3

Первым осознал и сформулировал всеобщность закона сохранения энергии немецкий врач Роберт Майер. При исследовании законов функционирования человека у него возник вопрос, не изменится ли количество теплоты, выделяемое организмом при переработке пищи, если он при этом будет совершать работу.

Если говорить простым и понятным языком, то:

картинка №3

Пример с лыжником (картинка №3)

Когда лыжник находился на снежной горке, то он находился в состояние покоя. То есть имел потенциальную энергию. (Потенциальная энергия-это энергия, которой обладают предметы в состояние покоя.) Следом, лыжник махнул палками и пустился вниз по горке. Состояния покоя прекратилась и вызвало собственное движение тела. Тем самым превратилось в кинетическую энергию. (Кинетическая энергия-это энергия, приобретенная при движении самого тела). Тут сработал закон «О сохранения и превращения энергии». Энергия потенциальная превратилась в кинетическую, но сама сохранилась (никак при этом не изменилась). Вот самый простой опыт.

Пример с луком и стрелами (картинка №5)

Взяв в руки лук, так и охота стрельнуть из него. Ведь он такой красивый. Но также он является ярким примером «Законом сохранения и превращения энергии». Стрела натянутая в луке, имеет потенциальную энергию. После её отпускания, стрела меняет энергию на кинетическую. Но сохраняет энергию до конца. Хотя тело деформированное.

картинка №5

А что будет если этот закона не будет существовать 10 минут?

Вы когда-нибудь снимали видео на телефон в эффекте замедления? Классно получалось, смотреть на медленно движущиеся объекты вокруг нас. Вот такой же эффект вы увидите, если «закон о сохранение и превращение энергии» потеряет силу. Но это будет не совсем правильно. Поэтому внесём маленькие корректировки. Скажем так, что все предметы вообще двигаться не будут. Они потеряют свою энергию (хотя это просто невозможно). И в мире всё остановится. Люди не смогут элементарно даже передвигаться, хотя какое «передвигаться» мы же стоять не сможем. Красивые водопады перестанут носить своё название. О любимых видов спорта, можно тоже забыть. Любая физическая активность будет не доступна. Предметы не смогут больше находиться в «состояние покоя». Мир в прямом смысле слова просто «остановится». Земля перестанет вращаться вкруг своей оси. И наш мир просто погибнет. Примерное изображение происходящего.

Картинка №6

Теперь Вашему вниманию представлю ещё один закон, который тоже будет интересно рассмотреть.

4.Деформация тел. Сила упругости. Закон Гука

Известно, что на все тела, находящиеся на Земле, действует сила тяжести, обусловленная гравитацией. Какие ещё силы могут возникнуть? Рассмотрим несколько примеров.

1. На яблоко в тарелке действует сила притяжения Земли. Фрукт не проваливается сквозь тарелку, а находится в покое.

Значит, существует сила, которая уравновешивает силу тяжести.

2. Рассмотрим тело, подвешенное на нити. Сила тяжести будет направлена вниз.

Тело не может упасть, потому что силу тяжести компенсирует сила натяжения нити.

3. Проведём опыт. Картинка № 7

Позволим гире опуститься на середину доски на опорах.

картинка № 7

После этого

картинка № 7

Сила тяжести гири воздействует на доску и оказывает деформацию изгиба — заставляет сгибаться. Свойство упругости доски вызывает противоположную силу — силу реакции опоры — для того, чтобы вернуться в исходное, недеформированное состояние. Обе силы направлены вдоль одной прямой через центр масс гири, но направления противоположны, поэтому сумма сил равна нулю. Под весом гири доска прогнулась — изменила свою форму.

Деформацией тела называют изменение размера или формы тела под воздействием внешних сил.

При изменении формы и размера под воздействием деформирующих сил каждое упругое тело пытается вернуться в начальное состояние.

Сила упругости — сила, которая возникает при деформации тела и стремится вернуть его в исходное состояние. Сила упругости — векторная величина, обозначается F⃗ упр.

Чем сильнее давит тело на опору, тем больше деформация и возникающая в ответ на деформацию сила упругости. Деформация опоры прекращается в тот момент, когда действующие по вертикали силы уравновесят друг друга (сила упругости равна силе тяжести).

Если исчезнет деформирующая сила, то исчезнет и сила упругости.

В зависимости от приложенных сил различают виды деформации:

деформация растяжения и сжатия;

деформация сдвига;

деформация изгиба;

деформация кручения.

Деформация называется упругой в случае, если тело полностью восстановило свою форму и объём после прекращения действия деформирующей силы.

Рассмотрим силы, действующие в опыте с гирей, подвешенной на нити. Картинка № 8

картинка № 8

Синей стрелкой обозначен вектор силы тяжести F2→, направленной к центру Земли (вертикально вниз). Силе тяжести противодействует сила упругости нити F1→, называемая силой натяжения нити. Она обозначена красной стрелкой, направленной вверх. Гиря не движется, значит, силы компенсируют друг друга, сила тяжести равна силе упругости: F1→−F2→=0; но направлена противоположно.

Подвесом называют нить, на которую подвешивается тело. Обычно имеют в виду нерастяжимую прочную нить.

Подвесом может быть упругое тело: пружина, резина. Значит, оно может растягиваться (деформироваться) под действием силы тяжести тела. При растяжении длина подвеса изменяется на некоторую величину, которую называют удлинением: Δl=l−l0, где l0 — начальная длина нити, а l — конечная длина.

Закон Гука: изменение длины тела при растяжении (или сжатии) прямо пропорционально модулю силы упругости

Fупр=k⋅Δl, где

Δl — удлинение тела (изменение его длины),

k — коэффициент пропорциональности, который называется жёсткостью (пружины), которая зависит от материала.

Закон Гука работает только в случае, если деформация была упругая.

Пример с мячом (картинка №9)

картинка № 9

Возьмём простой мячик. Можно взять любой. И попытаемся его ударить об стену. Желательно, чтобы бросок был сильным. То через 1 секунду и 52 миллисекунды. Мяч вернётся в наши руки. Это говорит о том, что мяч прогнулся после столкновения перед стеной. И из-за этого мяч просто вернулся обратно. Можно сказать, что при столкновении со стеной. Мяч деформировался (что является главным признаком), но потом вернулся в начальное состояние в наши руки. На картинке № 9 этот опыт показан.

Итак, начнём наш опыт.

На первый взгляд, кажется, что ничего особенного не случится. Огромное значение в природе имеет сила упругости. Как любой физический закон. Например, представим ситуацию. Рано утром в снегопад зимой. Вы решаетесь сходить в лес. (закон Гука отменился). Вы удивитесь, но леса не будет. Из-за тяжести снега, ветки просто обломаются. Также, не факт, что сам ствол дерева выдержит. Или приведу иной пример. Представим красивое поле. Травка, цветочки и лёгкий, свежий ветер. Кажется, что ничего особенного, но если ветер слегка подует. То все растения обломаются под порывом ветра. Можем сделать итог: Сила упругости — источник прочности живых организмов. Благодаря, силе упругости все тела, находящиеся на Земле, выдерживают силу атмосферного давления. Еще больше нагрузку выдерживают животные и растения, обитающие на дне глубоких водоемов. Таким образом, благодаря силе упругости живые организмы переносят механические нагрузки и сохраняют целостную форму. Но есть одно природное явление, которое является исключением этого закона. Вам, наверное, приходилось видеть сломанные ураганом деревья. Это происходит тогда, когда сила действия ветра больше силы упругости самого дерева. Картинка № 10

картинка № 10

5.АРХИМЕДА ЗАКОН

Архимедова сила — выталкивающая сила, равная весу газа или жидкости в объёме погружённой части тела. Формула картинка № 11

картинка № 11

Опыт. Нам понадобятся ёмкость с ручкой и груз в форме цилиндра.

Картинка № 12

Растяжение пружины динамометра отметим стрелкой на штативе (рис. A), она показывает вес тела в воздухе.

картинка № 12

Подставим сосуд, наполненный жидкостью, до уровня отливной трубки (рис. B) и поместим в него цилиндр.

Картинка № 12

После погружения цилиндра, вода выливается в мерный стакан. Её объём равен объёму цилиндрического груза (рис. B).

картинка № 12

Стрелка динамометра поднимается вверх, растяжение пружины уменьшается, что соответствует уменьшению веса тела в жидкости (рис. C). В этом случае на цилиндр действует сила тяжести и сила Архимеда, направленная вверх.

картинка № 12

Если в ведёрко вылить вытесненную из отливного стаканчика жидкость, то стрелка динамометра возвратится в начальное положение (рис. D).

картинка № 12

Вывод: выталкивающая сила, действующая на погружённое в жидкость тело, равна весу жидкости, вытесненной этим телом.

Чем больше плотность среды — тем меньше вес. Именно поэтому погрузившись в воду, мы можем легко поднять другого человека.

Когда сила Архимеда не работает

Если тело плотно прилегает к поверхности. Если между телом и поверхностью нет жидкости или газа — нет и выталкивающей силы. Именно поэтому подводным лодкам нельзя ложиться на илистое дно — мощности их двигателей не хватит, чтобы преодолеть давление толщи воды сверху.

В невесомости. Наличие веса у жидкости или газа — обязательное условие для возникновения архимедовой силы. В состоянии невесомости горячий воздух не поднимается, а холодный не опускается. Поэтому на МКС создают принудительную конвекцию воздуха с помощью вентиляторов.

В растворах и смесях. Если в воду налить спирт, на него не будет действовать сила Архимеда, хотя плотность спирта меньше плотности воды. Поскольку связь между молекулами спирта слабее, чем связь молекул воды, он растворится в воде, и образуется новая жидкость — водный раствор

«Заключение»

Эксперимент подошёл к концу. Вывод таков, что все законы физики открывались постепенно. Они проходили тщательное исследование. И у каждого закона есть своя история. Благодаря, учёным мы смогли опередить время развития. Теперь для нас не в диковинку, что самолёты летают, корабли не тонут, а поезда движутся. Законы физики окружают нас везде и объясняют различные явления. И если бы, их не существовало, то и нас бы тоже. Поэтому можно заявить, что Физика весьма удивительная наука. Которую мы должны продолжать развивать и объяснять. Вот краткий вывод всех рассмотренных законов. Таблица № 3

Таблица № 3

Список использованных источников и литературы:

1. https://ru.wikipedia.org

2. http://elkin52.narod.ru

3. http://www.class-fizika.narod.ru

4. http://physics03.narod.ru

5. http://physica-vsem.narod.ru

6. http://physics.nad.ru/physics.htm

7. http://www.college.ru/physics/index.php

8. http://www.internet-school.ru/Enc.ashx?folder=463

9. http://www.fizika.ru

10. http://gannalv.narod.ru/fiz/

11. http://schools.techno.ru/sch1567/metodob/index.htm

12. http://www.cosmoworld.ru

13. http://homefizika.narod.ru/p7aa1.html

14. https://foxford.ru/wiki

15. https://www.yaklass.ru/p/fizika/7-klass/davlenie-tverdykh-tel-zhidkostei-i-gazov-sila-davleniia-11881/zakon-arkhimeda-ves-tela-v-zhidkosti-11889/re-a5c30e8e-de94-4c2a-8892-dae12361cbb0

16. Яков Перельман: Занимательная физика. Книга 1

17. Красота физики: постигая устройство природы. Фрэнк Вильчек

18. Физика и жизнь. Законы природы: от кухни до космоса. Элен Черски