Номер 1, страница 139 - гдз по физике 9 класс учебник Закирова, Аширов

Подготовьте сообщение на тему: «Законы сохранения в природе и технике».

Законы сохранения являются фундаментальными принципами физики, утверждающими, что определённые физические величины остаются постоянными с течением времени в изолированной системе. Эти законы играют ключевую роль в понимании как природных явлений, так и в создании и функционировании технических устройств.

Закон сохранения энергии

Этот закон гласит, что полная энергия изолированной системы остаётся постоянной. Энергия не создаётся из ничего и не исчезает в никуда, а лишь переходит из одной формы в другую. Для механических систем, в которых действуют только консервативные силы (например, сила тяжести и сила упругости), сохраняется полная механическая энергия, которая является суммой кинетической и потенциальной энергий: $E_{полная} = E_к + E_п = const$.

Примеры в природе:
Камень, падающий с высоты: в верхней точке его потенциальная энергия максимальна, а кинетическая равна нулю. По мере падения потенциальная энергия уменьшается, превращаясь в кинетическую. Перед самым ударом о землю кинетическая энергия максимальна, а потенциальная минимальна.
Круговорот воды в природе: солнечная энергия испаряет воду (превращается во внутреннюю энергию пара и его потенциальную энергию). Пар поднимается, охлаждается, конденсируется в облака. Выпадая в виде осадков, вода снова обретает потенциальную энергию, которая при течении рек может превращаться в кинетическую.

Примеры в технике:
Гидроэлектростанции (ГЭС): потенциальная энергия воды, накопленной в водохранилище, превращается в кинетическую энергию падающего потока. Этот поток вращает турбины, преобразуя кинетическую энергию в механическую энергию вращения, а генератор затем превращает её в электрическую энергию.
Двигатель внутреннего сгорания: химическая энергия топлива при сгорании превращается в тепловую энергию, которая, в свою очередь, совершает работу, двигая поршни, то есть переходит в механическую энергию.

Ответ: Закон сохранения энергии утверждает, что энергия не возникает и не исчезает, а лишь преобразуется из одного вида в другой. Он проявляется в природе (падение тел, круговорот воды) и широко используется в технике (работа электростанций, двигателей).

Закон сохранения импульса

Этот закон утверждает, что векторная сумма импульсов всех тел, составляющих замкнутую систему, остаётся постоянной. Импульс тела (или количество движения) определяется как произведение массы тела на его скорость: $\vec{p} = m\vec{v}$. Для системы из нескольких тел закон выглядит так: $\sum_{i=1}^{n} \vec{p}_i = const$.

Примеры в природе:
Движение медуз и кальмаров: они передвигаются, выбрасывая из себя струю воды. Вода получает импульс в одном направлении, а животное — такой же по величине импульс в противоположном направлении, что и приводит его в движение. Это пример реактивного движения.

Примеры в технике:
Реактивное движение ракет и самолётов: ракета выбрасывает продукты сгорания топлива с большой скоростью. Эти газы имеют импульс, направленный назад. Согласно закону сохранения импульса, сама ракета получает импульс, направленный вперёд, и ускоряется.
Маятник Ньютона (колыбель Ньютона): при столкновении шаров импульс и энергия передаются от одного крайнего шара к другому через промежуточные, демонстрируя сохранение этих величин при упругих ударах.

Ответ: Закон сохранения импульса гласит, что суммарный импульс замкнутой системы тел постоянен. Он объясняет реактивное движение в природе (кальмары) и является основополагающим принципом работы ракетных двигателей.

Закон сохранения массы и закон сохранения массы-энергии

В классической физике и химии закон сохранения массы утверждает, что масса реагентов, вступивших в химическую реакцию, равна массе продуктов реакции. Однако в теории относительности Эйнштейна было показано, что масса и энергия взаимосвязаны. Закон сохранения энергии был обобщён до закона сохранения массы-энергии, согласно которому сохраняется общая масса-энергия системы. Связь между массой и энергией выражается знаменитой формулой: $E = mc^2$, где $c$ — скорость света в вакууме. Это означает, что масса может превращаться в энергию, и наоборот.

Примеры в природе:
Солнце и звёзды: источником их гигантской энергии являются термоядерные реакции, в ходе которых ядра лёгких элементов (например, водорода) сливаются в более тяжёлые (гелий). При этом масса получившегося ядра гелия немного меньше суммы масс исходных ядер водорода. Эта "потеря" массы, называемая дефектом масс, выделяется в виде огромного количества энергии, которая и заставляет звезду светить.

Примеры в технике:
Атомные электростанции (АЭС): энергия вырабатывается в результате управляемой цепной реакции деления тяжёлых ядер (например, урана). При делении ядро распадается на более лёгкие осколки, и суммарная масса этих осколков меньше массы исходного ядра. Разница масс (дефект масс) выделяется в виде энергии, которая используется для нагрева воды и производства электроэнергии.
Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ): в медицинской диагностике используется явление аннигиляции — столкновения частицы и античастицы (электрона и позитрона), в результате которого их масса полностью превращается в энергию в виде гамма-квантов, которые регистрируются детектором.

Ответ: Закон сохранения массы-энергии объединяет два классических закона и утверждает, что масса и энергия могут превращаться друг в друга. Этот принцип объясняет энергию звёзд и лежит в основе атомной энергетики.

Закон сохранения электрического заряда

Этот закон гласит, что алгебраическая сумма электрических зарядов в любой электрически изолированной системе остаётся постоянной. Заряд нельзя создать или уничтожить, его можно только перераспределить между телами или передать от одного тела к другому. $\sum_{i=1}^{n} q_i = const$.

Примеры в природе:
Молния: в грозовых облаках происходит разделение зарядов из-за трения и столкновений капель воды и кристаллов льда. Верхняя часть облака обычно заряжается положительно, а нижняя — отрицательно. Когда разность потенциалов между облаком и землёй становится достаточно большой, происходит электрический разряд — молния, в ходе которого заряд перераспределяется, но общий заряд системы "облако-земля" не изменяется.
Нейтральность атомов: в обычном состоянии атом электрически нейтрален, так как положительный заряд его ядра равен по модулю суммарному отрицательному заряду его электронов.

Примеры в технике:
Электротехника и электроника: все электрические цепи проектируются с учётом закона сохранения заряда (известного в теории цепей как первый закон Кирхгофа). Он гласит, что сумма токов, втекающих в узел цепи, равна сумме токов, вытекающих из него. Это прямое следствие того, что заряд не может накапливаться в узле.
Конденсаторы: эти устройства способны накапливать электрический заряд. При зарядке конденсатора на его обкладках накапливаются равные по модулю, но противоположные по знаку заряды. Общий заряд конденсатора как целого остаётся равным нулю, что соответствует закону сохранения заряда.

Ответ: Закон сохранения электрического заряда утверждает, что полный заряд изолированной системы постоянен. Он проявляется в природных явлениях, таких как молния, и является основополагающим для всей электротехники и электроники.