Обсудить в классе, страница 84 - гдз по физике 9 класс учебник Громов, Родина

Глава 3. Гравитационные явления. Параграф 18. Гравитационное взаимодействие и гравитационное поле. Вопросы - страница 84.

Условие.

Свойство тел и частиц участвовать в электромагнитном взаимодействии характеризует такая физическая величина, как электрический заряд, а свойство тел и частиц участвовать в гравитационном взаимодействии — масса. Как вы думаете, почему существуют положительные и отрицательные электрические заряды, а масса бывает только положительной?

Решение.

Различие между электрическим зарядом и массой заключается в характере фундаментальных взаимодействий, в которых они участвуют. Существование положительных и отрицательных электрических зарядов напрямую связано с тем, что электромагнитное взаимодействие может быть как притяжением, так и отталкиванием. С другой стороны, гравитационное взаимодействие, насколько нам известно из наблюдений, является исключительно притяжением, что и объясняет наличие у массы только одного знака.

Рассмотрим это с точки зрения законов, описывающих эти взаимодействия:

1. Электромагнитное взаимодействие. Сила взаимодействия между двумя точечными зарядами $q_1$ и $q_2$ описывается законом Кулона: $F_э = k \frac{q_1 q_2}{r^2}$. Результат зависит от знаков зарядов:

• Если знаки зарядов одинаковы (оба положительные или оба отрицательные), их произведение $q_1 q_2$ положительно, что соответствует силе отталкивания.
• Если знаки зарядов разные (один положительный, другой отрицательный), их произведение $q_1 q_2$ отрицательно, что соответствует силе притяжения.

Таким образом, наличие двух типов зарядов является необходимым условием для описания двойственной природы электромагнитной силы.

2. Гравитационное взаимодействие. Сила взаимодействия между двумя массами $m_1$ и $m_2$ описывается законом всемирного тяготения Ньютона: $F_г = -G \frac{m_1 m_2}{r^2}$. Знак «минус» в формуле указывает на то, что сила всегда направлена на притяжение. Поскольку гравитация всегда является притяжением, произведение масс $m_1 m_2$ должно быть всегда положительным. Это возможно только в том случае, если все массы имеют один и тот же знак. По соглашению этот знак считается положительным. Гипотетическая «отрицательная масса» не наблюдалась в природе.

С точки зрения более современной физики (квантовой теории поля), различие объясняется свойствами частиц-переносчиков взаимодействия:

• Переносчиком электромагнитного взаимодействия является фотон (частица со спином 1). Взаимодействия, переносимые частицами со спином 1, могут быть и притяжением, и отталкиванием.
• Переносчиком гравитационного взаимодействия (гипотетическим) является гравитон (частица со спином 2). Взаимодействия, переносимые частицами с четным спином (0, 2, ...), являются универсально притягивающими для «зарядов» одного знака.

Кроме того, согласно специальной теории относительности, масса связана с энергией через знаменитое уравнение Эйнштейна $E = mc^2$. Поскольку энергия покоя ($\text{E}$) стабильных частиц является положительной величиной, а квадрат скорости света ($c^2$) — положительная константа, то и масса ($\text{m}$) также должна быть положительной.

Ответ: Существование положительных и отрицательных электрических зарядов необходимо для описания как сил притяжения (между разноименными зарядами), так и сил отталкивания (между одноименными зарядами), характерных для электромагнитного взаимодействия. Гравитационное взаимодействие является исключительно притяжением, поэтому для его описания достаточно одного типа «гравитационного заряда» — массы, которую по соглашению считают положительной.