Номер 15, страница 72, часть 1 - гдз по физике 8 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 1. Глава 1. Строение и свойства вещества. Тепловые явления. Параграф 17. Лабораторные и исследовательские работы. Темы исследовательских и проектных работ - номер 15, страница 72.

Условие.

• Закон сохранения энергии. Границы применимости.

Решение.

Закон сохранения энергии. Границы применимости.

Закон сохранения энергии — один из фундаментальных законов природы, который гласит, что полная энергия изолированной (замкнутой) системы остается постоянной во времени. Энергия не может быть создана из ничего или исчезнуть в никуда, она может только переходить из одной формы в другую или передаваться от одного тела к другому.

В классической механике закон сохранения энергии часто применяется для описания движения тел. Полная механическая энергия ($\text{E}$) системы определяется как сумма её кинетической ($E_k$) и потенциальной ($E_p$) энергий.

Кинетическая энергия — это энергия движения, она рассчитывается по формуле:
$E_k = \frac{mv^2}{2}$,
где $\text{m}$ — масса тела, а $\text{v}$ — его скорость.

Потенциальная энергия — это энергия, обусловленная взаимным расположением тел или их частей и характером сил взаимодействия между ними. Например, для тела, поднятого над Землей, потенциальная энергия в поле тяготения равна:
$E_p = mgh$,
где $\text{g}$ — ускорение свободного падения, а $\text{h}$ — высота над условным нулевым уровнем.

Для консервативной системы, то есть системы, в которой действуют только консервативные силы (силы, работа которых не зависит от траектории, например, сила тяжести, сила упругости), полная механическая энергия сохраняется:
$E = E_k + E_p = \text{const}$

Если в системе присутствуют неконсервативные (диссипативные) силы, такие как сила трения или сопротивления воздуха, то полная механическая энергия системы не сохраняется. Её изменение равно работе, совершаемой этими силами $A_{н.к.}$:
$\Delta E = E_2 - E_1 = A_{н.к.}$
В этом случае механическая энергия переходит в другие формы, в основном во внутреннюю (тепловую) энергию. Однако если включить изменение внутренней энергии ($\text{U}$) в общий баланс, то закон сохранения полной энергии снова будет выполняться. Эта более общая форма закона известна как первое начало термодинамики:
$\Delta U = Q + A$,
где $\Delta U$ — изменение внутренней энергии системы, $\text{Q}$ — количество теплоты, переданное системе, и $\text{A}$ — работа, совершённая над системой.

Согласно теореме Эмми Нётер, закон сохранения энергии тесно связан с фундаментальной симметрией природы — однородностью времени (то есть, физические законы не меняются с течением времени).

Границы применимости

Закон сохранения энергии считается универсальным, и на сегодняшний день не существует экспериментальных данных, которые бы его опровергали. Однако важно понимать границы применимости его различных формулировок.

1. Закон сохранения механической энергии ($E_k + E_p = \text{const}$) строго применим только к идеализированным системам, в которых отсутствуют диссипативные силы (трение, сопротивление среды). В реальных макроскопических системах всегда есть потери механической энергии, и этот закон можно использовать лишь как приближение.

2. Общая теория относительности (ОТО). В масштабах всей Вселенной понятие полной энергии становится неоднозначным. Из-за расширения пространства энергия фотонов уменьшается (космологическое красное смещение), что может показаться нарушением закона. Однако это не нарушение, а особенность описания энергии в нестатическом пространстве-времени. Локально (в любой ограниченной области) закон сохранения энергии-импульса выполняется неукоснительно.

3. Квантовая механика. Принцип неопределенности Гейзенберга для энергии и времени ($\Delta E \cdot \Delta t \ge \hbar/2$) допускает кратковременные флуктуации энергии. Это приводит к существованию так называемых виртуальных частиц, которые могут рождаться на очень короткое время, "заимствуя" энергию из вакуума. Тем не менее, в любых наблюдаемых процессах, происходящих в течение измеримого времени, энергия начального и конечного состояний всегда строго равна. Таким образом, это не нарушение закона, а его квантовая специфика.

Следовательно, закон сохранения энергии является фундаментальным принципом, лежащим в основе всех разделов физики. Его частные формы имеют четкие границы применимости, в то время как общий закон считается абсолютно верным, хотя его применение в некоторых передовых областях науки требует более сложных и нетривиальных подходов.

Ответ: Закон сохранения энергии — это фундаментальный принцип, согласно которому полная энергия изолированной системы остается неизменной. Энергия может лишь превращаться из одной формы в другую. Частная формулировка закона, закон сохранения полной механической энергии, применима только к системам, где действуют консервативные силы. Общий закон сохранения энергии считается универсальным и не имеет известных исключений, хотя его интерпретация в общей теории относительности и квантовой механике имеет свои особенности, не нарушающие его фундаментальности.