Тема 3. Тема 3

матеріал 1

Фундаментальні взаємодії у природі

Матеріал

Для вчителя

Для учня

Завантажити матеріал (PDF)

Урок 26. Фундаментальні взаємодії у природі

Очікувані результати навчання

формулює та обґрунтовує самостійно або у співпраці з іншими гіпотези відповідно до проблеми і мети дослідження, визначає завдання [12 ПРО 1.2.2]
здійснює самостійно або у співпраці з іншими дослідження, фіксує результати [12 ПРО 1.4.2]
виявляє ціннісне ставлення до набутих дослідницьких навичок для пізнання природи [12ПРО 1.6.3]
планує, здійснює пошук, опрацьовує, порівнює, аналізує, оцінює самостійно або у співпраці з іншими надійність джерел і достовірність інформації для розв’язання життєвої/навчальної проблеми [12 ПРО 2.1.1]
порівнює, аналізує самостійно або у співпраці з іншими природні і техногенні об’єкти, явища і процеси на основі наукових методів пізнання та законів природи [12 ПРО 3.1.1]
ідентифікує, формулює та аналізує самостійно або у співпраці з іншими життєву/навчальну проблему [12 ПРО 4.2.1]
застосовує самостійно або у співпраці з іншими наукове знання і власний досвід для розв’язання життєвої/ навчальної проблеми [12 ПРО 4.3.2]

Мета уроку: сформувати в учнів наукове уявлення про чотири фундаментальні взаємодії, їхню природу, дію, носії та вплив на будову речовини та Всесвіту; познайомити учнів із сучасними підходами до вивчення фундаментальних взаємодій, їхнім значенням у природничих науках; розвивати критичне мислення, уміння пояснювати явища та застосовувати знання в життєвих ситуаціях.

Очікувані результати для вчителя:

учні розрізняють чотири фундаментальні взаємодії природи за їх дією, діапазоном, силою та частинками-переносниками
учні розуміють роль кожної з фундаментальних взаємодій у формуванні структури матерії та фізичних процесів у природі
учні пояснюють приклади прояву гравітаційної, електромагнітної, слабкої та сильної взаємодії
учні встановлюють зв’язок між властивостями сил і будовою атома, ядра, планетарних систем
учні наводять приклади застосування знань про фундаментальні взаємодії в науці, техніці та повсякденному житті

Очікувані результати для учнівства:

розрізняє чотири фундаментальні взаємодії природи за їх дією, діапазоном, силою та частинками-переносниками
розуміє роль кожної з фундаментальних взаємодій у формуванні структури матерії та фізичних процесів у природі
пояснює приклади прояву гравітаційної, електромагнітної, слабкої та сильної взаємодії
встановлює зв’язок між властивостями сил і будовою атома, ядра, планетарних систем
наводить приклади застосування знань про фундаментальні взаємодії в науці, техніці та повсякденному житті

Ключові слова:

гравітація
гравітон
гравітаційні хвилі
електромагнітна взаємодія
електрон
слабка взаємодія
нейтрино
анинейтрино
бозон
протон
нейтрон
сильна взаємодія
кварк
глюон

План уроку:

Мотиваційна частина
Теоретичний блок
2.1. Фундаментальні взаємодії у природі
2.2. Об’єднуюча природа фундаментальних взаємодій
Практичний блок
Попрактикуймо самостійно
Рефлексія

1. Мотивація

Дружня порада вчителю

Тривалість до 3 хв.

Проблемне питання

Джерело: https://www.clearias.com/four-fundamental-forces-of-nature/

Як пов’язані між собою елементи, які зображені на рис.1?

2. Теоретичний блок

Дружня порада вчителю

Тривалість до 12 хв.

Почни урок із простих життєвих прикладів: падіння м’яча (гравітація), притягання магніту (електромагнетизм), світіння зір (сильна взаємодія), радіоактивність (слабка). Це одразу покаже учням актуальність теми.

Використовуй конкретні приклади для кожної взаємодії

Гравітація → планети, падіння тіл

Електромагнітна → заряд, струм, магніти, світло

Слабка → β-розпад, ПЕТ-сканер

Сильна → ядро атома, кварки

Пояснюючи слабку і сильну взаємодії — спрощуй формулювання
Уникай складної термінології. Наприклад:

Слабка взаємодія — “перемикач” частинок

Сильна — “ядерний клей”, який утримує ядро

Обмежуй кількість формул — пояснюй через зміст
Даючи закон Ньютона або закон Кулона — покажи, як вони працюють на прикладах, а не вимагай запам’ятовування.

Коли пояснюєш теорію об’єднання — дай лише суть: скажи, що вчені намагаються знайти спільне походження всіх сил. Не ускладнюй квантовою гравітацією чи суперструнами — це не мета цього уроку.

2.1. Фундаментальні взаємодії у природі

Чотири фундаментальні взаємодії навколо нас щодня, усвідомлюємо ми це чи ні. Від гри в баскетбол до запуску ракети в космос і приклеювання магніту до холодильника — усі взаємодії, які ми всі відчуваємо щодня, можна звести до критичного квартету: гравітація, електромагнетизм, слабка взаємодія і сильна взаємодія. Ці взаємодії керують усім, що відбувається у Всесвіті.

Гравітаційна взаємодія.

Гравітаційна взаємодія характерна для всіх матеріальних об’єктів незалежно від їхньої природи. Вона полягає у взаємному притяганні тіл і визначається фундаментальним законом всесвітнього тяжіння: між будь-якими двома тілами діють сили гравітаційного притягання, які прямо пропорційні добутку мас цих тіл і обернено пропорційні квадрату відстані між ними.

(1) $\begin{equation*} F = G \frac{m_1 m_2}{r^2} \end{equation*}$

(2) $\begin{equation*} G = 6{,}67 \cdot 10^{-11} \, \frac{H\cdot m^2}{kg^2}} \end{equation*}$

(гравітаційна стала)

Фізичною величиною, що описує здатність тіл вступати у гравітаційну взаємодію, є їхня маса: що більша маса тіл, то сильніше вони притягуються одне до одного. Посередником гравітаційної взаємодії є гравітаційне поле.

Електромагнітна взаємодія.

Електромагнітна взаємодія пов’язана з електричними й магнітними полями. Електричне поле виникає за наявності електричних зарядів, а магнітне поле — за умови їхнього руху. У природі існують як позитивні, так і негативні електричні заряди, що й визначає характер електромагнітної взаємодії. Наприклад, електростатична взаємодія між нерухомими зарядженими тілами залежно від знаку зарядів зводиться або до притягання, або до відштовхування.

Сила взаємодії двох нерухомих точкових зарядів q₁ і q₂прямо пропорційна добутку модулів цих зарядів і обернено пропорційна квадрату відстані r між ними:

(3) $\begin{equation*} F = k \frac{|\!q_1\!| \cdot |\!q_2\!|}{r^2} \end{equation*}$

k — коефіцієнт пропорційності.

Слабка взаємодія

Слабка взаємодія відповідає за розпад деяких субатомних частинок і зміну їхнього типу. Наприклад, саме завдяки слабкій взаємодії нейтрон може перетворитися на протон, електрон і антинейтрино — це процес, який називається β⁻-розпад. Також нейтрино, яке взаємодіє з нейтроном, може спричинити перетворення нейтрона на протон у так званих зворотних β-процесах. Фізики описують цю взаємодію через обмін частинками-носіями взаємодії, які називаються бозонами. Певні види бозонів відповідають за слабку взаємодію, електромагнітну взаємодію та сильну взаємодію.

Сильна взаємодія

Сильна взаємодія найсильнішою з чотирьох фундаментальних у природи. Вона зв’язує фундаментальні частинки матерії разом, утворюючи більші частинки. Вона утримує разом кварки, з яких складаються протони та нейтрони.

Подібно до слабкої взаємодії, сильна взаємодія діє лише тоді, коли субатомні частинки знаходяться надзвичайно близько одна до одної. Вони повинні знаходитися на відстані приблизно 10^-15 метрів одна від одної, або приблизно в межах діаметра протона. Сильна сила є дивною, оскільки, на відміну від будь-якої іншої фундаментальної сили, вона слабшає, коли субатомні частинки зближуються.

У таблиці 1 узагальнено характеристики фундаментальних взаємодій в природі.

Табл.1 Фундаментальні взаємодії в природі

Гравітаційна	Електромагнітна	Сильна	Слабка
Будь-які матеріальні об’єкти у Всесвіті притягуються один до одного	Електрична взаємодія заряджених тіл і частинок; магнітне притягання та відштовхування рухомих заряджених частинок і намагнічених тіл	Взаємне притягання нуклонів усередині ядра незалежно від їхнього заряду	«Відповідає» за β-розпад атомних ядер
Виявляється на будь-яких відстанях	Виявляється на будь-яких відстанях	Виявляється на відстанях порядку 10^–15 м (розмір нуклона)	Виявляється на відстанях порядку 10^–18 м
Утворення та існування планет, зіркових планетних систем, галактик тощо	Утворення та існування атомів, молекул, фізичних тіл; утворення радіосигналів, нервових імпульсів тощо	Існування та стійкість атомних ядер	Повільні розпади частинок
		Світіння зір

2.2. Об’єднуюча природа фундаментальних взаємодій

Невирішене питання щодо чотирьох фундаментальних сил полягає в тому, чи є вони насправді проявами лише однієї великої сили Всесвіту. Якщо так, то кожна з них повинна мати можливість зливатися з іншими, і вже є докази того, що вони можуть це робити.

Фізики Шелдон Ґлешоу та Стівен Вайнберг з Гарвардського університету разом з Абдусом Саламом з Імперського коледжу Лондона отримали Нобелівську премію з фізики в 1979 році за об’єднання електромагнітної взаємодії зі слабкою. Фізики, які працюють над пошуком так званої теорії великого об’єднання, прагнуть об’єднати електрослабку взаємодію з сильною. Останній елемент головоломки вимагатиме об’єднання гравітації з електроядерною взаємодією для розробки так званої теорії всього – теоретичної основи, яка могла б пояснити весь Всесвіт.

Однак фізикам досить важко об’єднати мікроскопічний світ з макроскопічним. На великих, і особливо астрономічних, масштабах домінує гравітація, яку найкраще описує теорія загальної відносності Ейнштейна. Але на молекулярному, атомному чи субатомному рівнях квантова механіка найкраще описує природний світ. І досі ніхто не придумав гарного способу об’єднати ці два світи.

Гравітація — єдина фундаментальна сила, яку фізики наразі можуть описати без використання частинок-носіїв сили. Але оскільки описи всіх інших фундаментальних сил вимагають частинок-носіїв сили, вчені очікують, що гравітони повинні існувати на субатомному рівні — дослідники просто ще не знайшли ці частинки.Ще більше ускладнює історію невидима сфера темної матерії та темної енергії , які складають приблизно 95% Всесвіту. Незрозуміло, чи складаються темна матерія та енергія з однієї частинки, чи з цілого набору частинок поки невідомо.

3. Практичний блок

Дружня порада вчителю

Тривалість до 17 хв.

Завдання №1

До яких фундаментальних взаємодій належить кожна із зображених схем на рис.2? Відповідь обґрунтуй.

Джерело: https://science.nasa.gov/universe/overview/forces/

Відповіді:

А – гравітаційна
Б – електромагнітна
В – сильна
Г – слабка

Завдання №2

До якої фундаментальної взаємодії належить кожен із зображених прикладів на рис.3? Відповідь обґрунтуй.

Джерело: https://24tv.ua/shho-potribno-znati-shhob-vryatuvatisya-pid-chas-yadernogo-vibuhu_n2166381
https://ukr.media/science/299701/
https://dzen.v.ua/35-tsikavykh-faktiv-pro-chumatskyy-shliakh
https://nsta.com.ua/catalog/elektromagnit-rozbirnyj-u-podibnyj/

Відповіді:

А – сильна
Б – електромагнітна
В – гравітаційна
Г – слабка

Завдання №3

Заповніть таблицю 2

Табл. 2

Взаємодія	Відстань на якій відбувається взаємодія	Прояв взаємодії (притягання/відштовхування)
Гравітаційна
Електромагнітна
Слабка
Сильна

Завдання №4

Слабка взаємодія є критично важливою для реакцій ядерного синтезу, які живлять Сонце та виробляють енергію, необхідну для більшості форм життя тут, на Землі. Археологи можуть використовувати С-14 для визначення віку стародавніх кісток, дерев та інших колись живих артефактів. С-14 має шість протонів і вісім нейтронів; один з цих нейтронів перетворюється на протон, утворюючи N-14, який має сім протонів і сім нейтронів. Цей розпад відбувається з передбачуваною швидкістю, відомою як період напіврозпаду (приблизно 5730 років). Завдяки цьому вчені можуть виміряти, скільки вуглецю-14 залишилося в кістках, деревині чи інших органічних рештках, і точно визначити їхній вік.

Дайте відповіді на питання

Яким було б наше уявлення про минуле, якби не існувало методу радіовуглецевого датування?

Чому саме слабка взаємодія, хоч і є “слабкою”, має надзвичайно важливе значення для еволюції зір і життя на Землі?

Які ще галузі науки, окрім археології, можуть виграти від точного знання закономірностей радіоактивного розпаду? Наведи приклади.

Чому знання про радіоактивний розпад є важливим для безпечного застосування радіонуклідів у медицині (наприклад, у променевій терапії)?

Поясни, як принципи, подібні до радіовуглецевого датування, можуть застосовуватись у вивченні біологічних процесів або у фармакології.

У деяких медичних методах (наприклад, ПЕТ — позитронно-емісійна томографія) використовують радіоактивні ізотопи. Чому саме ізотопи, що розпадаються за участі слабкої взаємодії, є корисними в таких дослідженнях?

Завдання №5

Від закону всесвітнього тяжіння Ньютона до рівнянь поля Ейнштейна, гравітація століттями привертала увагу вчених. З огляду на відкриття частинок-носіїв у ХХ столітті, важливість розуміння гравітації знову привернула увагу видатних фізиків у всьому світі. Оскільки частинки-носії були виявлені для трьох із чотирьох фундаментальних сил, вченим зрозуміло, що для гравітаційної сили має існувати подібна частинка, яка називається гравітон . Хоча доказів існування цієї частинки ще не знайдено, вчені наполегливо працюють над тим, щоб з’ясувати її існування. Оскільки гравітація є такою слабкою силою, пошук гравітону призвів до появи деяких унікальних методів. LIGO (лазерна інтерферометрична гравітаційно-хвильова обсерваторія) є одним із інструментів, що використовуються зараз (рис.4).

Рис. 4 Диспетчерську LIGO в Ганфорді, штат Вашингтон

Джерело: https://texasgateway.org/resource/231-four-fundamental-forces

Хоча пошук гравітаційної хвилі для виявлення частинки-носія може здатися нелогічним, він схожий на підхід, який застосували Планк та Ейнштейн, щоб дізнатися більше про фотон. Згідно з корпускулярно-хвильовим дуалізмом, якщо можна знайти гравітаційну хвилю, гравітон повинен бути присутнім разом з нею. Передбачена теорією загальної відносності Ейнштейна, вчені спостерігають за подвійними зоряними системами в пошуках доказів цих гравітаційних хвиль. Прискорювачі частинок, такі як Великий адронний колайдер (ВАК), використовуються для пошуку гравітону шляхом зіткнень високої енергії (рис.5).

Джерело: https://unn.ua/news/velikiy-adronniy-kolayder-zupinili-dlya-ekonomiyi-energiyi

Хоча вчені на ВАК припускають, що частинка може існувати недостатньо довго, щоб її можна було побачити, докази її попереднього існування, такі як сліди на піску, можна знайти через прогалини в проектованій енергії та імпульсі. Деякі вчені навіть досліджують залишки Великого вибуху, намагаючись знайти гравітон. Спостерігаючи за космічним фоновим випромінюванням, вони шукають аномалії в гравітаційних хвилях, які могли б дати інформацію про гравітаційні частинки, що існували на початку нашого Всесвіту.

Дайте відповіді на питання

Чому наукова спільнота прагне знайти гравітон, хоча гравітацію вже давно описують рівнянням Ньютона й загальною теорією відносності?

Чому гравітаційна хвиля вважається непрямим доказом існування гравітона?

Чи можна порівняти це з іншими фізичними явищами, де хвилі вказують на існування частинок?

Що ускладнює експериментальне виявлення гравітона, порівняно з іншими бозонами, такими як фотон чи глюон?

Чи можуть знання про гравітаційні хвилі і гравітон у майбутньому вплинути на розвиток медичних технологій або діагностичних приладів? Уяви та обґрунтуй.

Які наслідки для біологічних систем можуть мати зміни гравітаційного фону, наприклад, у космосі або на інших планетах? Чи важливо розуміти гравітацію для майбутньої колонізації?

Яку роль може відіграти вивчення гравітації у створенні нових біоінженерних або наномедичних пристроїв, що працюють у змінених умовах простору-часу?

Завдання №6

Виконайте тестові завдання

Розташуйте взаємодії в порядку зростання їхньої величини. 1. Електромагнітна. 2. Сильна. 3. Слабка. 4. Гравітаційна
- А. 4 3 2 1.
- Б. 4 3 1 2.
- C. 1 3 2 4.
- Г. 1 2 3 4.
До якої іншої сили природи найближча за величиною слабка ядерна сила природи?
- A. Жоден з варіантів.
- Б. Сильна ядерна взаємодія.
- В. Гравітаційна сила.
- Г. Електромагнітна сила.
Яка з чотирьох взаємодій відповідає за радіоактивний розпад?
- А. Електромагнітна.
- Б. Сильна.
- В. Слабка.
- Г. Гравітаційна.
Яка з чотирьох сил відповідає за структуру галактик?
- А. Електромагнітна.
- Б. Сильна.
- В. Слабка.
- Г. Гравітаційна.
Яка взаємодія відповідає за притягання між двома тілами, що мають масу?
- А. Електромагнітна .
- Б. Сильна.
- В. Слабка.
- Г. Гравітаційна.
Який порядок величини характеризує діапазон дії сильної ядерної взаємодії?
- A. Від 10⁻³ до 10⁻² метра — міжатомні відстані в молекулах
- Б. Від 10⁻⁹ до 10⁻⁸ метра — розміри атомів
- В. Від 10⁻¹⁵ до 10⁻¹⁴ метра — масштаби ядра атома
- Г. Менше 10⁻²⁰ метра — масштаби кварків у протоні
Як називається елементарна частинка, що відповідає за передавання (опосередкування) електромагнітної взаємодії?
- A. Глюон
- Б. Фотон
- В. Бозон W
- Г. Гравітон
Яка взаємодія переважно бере участь в процесі ядерного синтезу?
- А. Електромагнітна .
- Б. Сильна.
- В. Слабка.
- Г. Гравітаційна.
Що є теоретичною частинкою-носієм для гравітації?
- А. Протон
- Б. Нейтрон
- В. Гравітон
- Г. Фотон
Який тип розпаду пов’язаний зі слабкою ядерною взаємодією?
- А. Альфа-розпад
- Б. Гамма-розпад
- В. Бета-розпад
- Г. Поділ

Відповіді:

Завдання №7

Далі представлені ключові висновки про фундаментальні взаємодії. Встановіть які факти являються правдою, а які брехнею

Фізики розрізняють чотири фундаментальні взаємодії: гравітаційну, електромагнітну, слабку та сильну.
Усі чотири фундаментальні взаємодії вже експериментально доведено і мають відкриті частинки, що відповідають за кожну взаємодію.
Теорія суперструн описує лише гравітаційну силу, не пояснюючи інші взаємодії.
Електромагнітна, слабка та сильна взаємодії передаються через спеціальні частинки — калібрувальні бозони.
Слабка ядерна взаємодія утримує протони й нейтрони в ядрі атома.
Гравітація — найсильніша з усіх фундаментальних взаємодій.
Сильна ядерна взаємодія — найсильніша сила природи, що діє на дуже малих відстанях.
Електрослабка взаємодія — це поєднання електромагнітної та слабкої сил у єдину теорію.
Глюони, фотони та бозони W і Z — приклади бозонів, що передають взаємодії.
Гравітон — це відкритий експериментально бозон, який передає гравітацію.
Теорії великого об’єднання прагнуть об’єднати всі взаємодії, окрім гравітаційної.
Сильна взаємодія має безмежний діапазон дії і діє на будь-якій відстані.

Відповіді:

Правда
Брехня (гравітон досі гіпотетичний)
Брехня (вона прагне описати всі чотири взаємодії)
Правда
Брехня (це робить сильна взаємодія)
Брехня (вона найслабша)
Правда
Правда
Правда
Брехня (гравітон ще не відкрито)
Правда
Брехня (вона діє лише на ядерних відстанях — ~10⁻¹⁵ м)

4. Попрактикуймо самостійно

Дружня порада вчителю

Тривалість до 10 хв.

Переглянь рис.6 на якому зображено, як хлопчик грає в баскетбол. Використовуючи цей малюнок про кожну з чотирьох фундаментальних взаємодій.

Джерело: https://www.studysmarter.co.uk/explanations/physics/physics-of-motion/forces-of-nature-physics/

Рівень А: розкажи (запиши) про дві фундаментальні взаємодії
Рівень В: розкажи (запиши) про три фундаментальні взаємодії
Рівень С: розкажи (запиши) про чотири фундаментальні взаємодії

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

5. Рефлексія

Дружня порада вчителю

Тривалість до 3 хв.

Склади речення з 15 слів, у якому будуть використані щонайменше 5 ключових термінів, які були на сьогоднішньому уроці

У вільний від відпочинку час

На рисунку представлений елемент коміксу, який коротко пояснює кожну з фундаментальних взаємодій. Розробіть свій комікс (використовуючи весь вивчений матеріал на уроці), який дозволить зрозуміти особливості фундаментальних взаємодій.

Джерело: https://www.quora.com/What-are-the-fundamental-forces-of-nature-2

Завантажити матеріал (PDF)

Урок 26. Фундаментальні взаємодії у природі

Очікувані результати навчання

Очікувані результати для учнівства:

розрізняє чотири фундаментальні взаємодії природи за їх дією, діапазоном, силою та частинками-переносниками
розуміє роль кожної з фундаментальних взаємодій у формуванні структури матерії та фізичних процесів у природі
пояснює приклади прояву гравітаційної, електромагнітної, слабкої та сильної взаємодії
встановлює зв’язок між властивостями сил і будовою атома, ядра, планетарних систем
наводить приклади застосування знань про фундаментальні взаємодії в науці, техніці та повсякденному житті

Ключові слова:

гравітація
гравітон
гравітаційні хвилі
електромагнітна взаємодія
електрон
слабка взаємодія
нейтрино
анинейтрино
бозон
протон
нейтрон
сильна взаємодія
кварк
глюон

План уроку:

Мотиваційна частина
Теоретичний блок
2.1. Фундаментальні взаємодії у природі
2.2. Об’єднуюча природа фундаментальних взаємодій
Практичний блок
Попрактикуймо самостійно
Рефлексія

1. Мотивація

Проблемне питання

Джерело: https://www.clearias.com/four-fundamental-forces-of-nature/

Як пов’язані між собою елементи, які зображені на рис.1?

2. Теоретичний блок

2.1. Фундаментальні взаємодії у природі

Гравітаційна взаємодія.

(4) $\begin{equation*} F = G \frac{m_1 m_2}{r^2} \end{equation*}$

(5) $\begin{equation*} G = 6{,}67 \cdot 10^{-11} \, \frac{H\cdot m^2}{kg^2}} \end{equation*}$

(гравітаційна стала)

Електромагнітна взаємодія.

(6) $\begin{equation*} F = k \frac{|\!q_1\!| \cdot |\!q_2\!|}{r^2} \end{equation*}$

k — коефіцієнт пропорційності.

Слабка взаємодія

Сильна взаємодія

У таблиці 1 узагальнено характеристики фундаментальних взаємодій в природі.

Табл.1 Фундаментальні взаємодії в природі

Гравітаційна	Електромагнітна	Сильна	Слабка
Будь-які матеріальні об’єкти у Всесвіті притягуються один до одного	Електрична взаємодія заряджених тіл і частинок; магнітне притягання та відштовхування рухомих заряджених частинок і намагнічених тіл	Взаємне притягання нуклонів усередині ядра незалежно від їхнього заряду	«Відповідає» за β-розпад атомних ядер
Виявляється на будь-яких відстанях	Виявляється на будь-яких відстанях	Виявляється на відстанях порядку 10^–15 м (розмір нуклона)	Виявляється на відстанях порядку 10^–18 м
Утворення та існування планет, зіркових планетних систем, галактик тощо	Утворення та існування атомів, молекул, фізичних тіл; утворення радіосигналів, нервових імпульсів тощо	Існування та стійкість атомних ядер	Повільні розпади частинок
		Світіння зір

2.2. Об’єднуюча природа фундаментальних взаємодій

3. Практичний блок

Завдання №1

До яких фундаментальних взаємодій належить кожна із зображених схем на рис.2? Відповідь обґрунтуй.

Джерело: https://science.nasa.gov/universe/overview/forces/

Завдання №2

До якої фундаментальної взаємодії належить кожен із зображених прикладів на рис.3? Відповідь обґрунтуй.

Завдання №3

Заповніть таблицю 2

Табл. 2

Взаємодія	Відстань на якій відбувається взаємодія	Прояв взаємодії (притягання/відштовхування)
Гравітаційна
Електромагнітна
Слабка
Сильна

Завдання №4

Дайте відповіді на питання

Яким було б наше уявлення про минуле, якби не існувало методу радіовуглецевого датування?

Чому саме слабка взаємодія, хоч і є “слабкою”, має надзвичайно важливе значення для еволюції зір і життя на Землі?

Які ще галузі науки, окрім археології, можуть виграти від точного знання закономірностей радіоактивного розпаду? Наведи приклади.

Чому знання про радіоактивний розпад є важливим для безпечного застосування радіонуклідів у медицині (наприклад, у променевій терапії)?

Поясни, як принципи, подібні до радіовуглецевого датування, можуть застосовуватись у вивченні біологічних процесів або у фармакології.

У деяких медичних методах (наприклад, ПЕТ — позитронно-емісійна томографія) використовують радіоактивні ізотопи. Чому саме ізотопи, що розпадаються за участі слабкої взаємодії, є корисними в таких дослідженнях?

Завдання №5

Джерело: https://texasgateway.org/resource/231-four-fundamental-forces

Джерело: https://unn.ua/news/velikiy-adronniy-kolayder-zupinili-dlya-ekonomiyi-energiyi

Дайте відповіді на питання

Чому наукова спільнота прагне знайти гравітон, хоча гравітацію вже давно описують рівнянням Ньютона й загальною теорією відносності?

Чому гравітаційна хвиля вважається непрямим доказом існування гравітона?

Чи можна порівняти це з іншими фізичними явищами, де хвилі вказують на існування частинок?

Що ускладнює експериментальне виявлення гравітона, порівняно з іншими бозонами, такими як фотон чи глюон?

Чи можуть знання про гравітаційні хвилі і гравітон у майбутньому вплинути на розвиток медичних технологій або діагностичних приладів? Уяви та обґрунтуй.

Які наслідки для біологічних систем можуть мати зміни гравітаційного фону, наприклад, у космосі або на інших планетах? Чи важливо розуміти гравітацію для майбутньої колонізації?

Яку роль може відіграти вивчення гравітації у створенні нових біоінженерних або наномедичних пристроїв, що працюють у змінених умовах простору-часу?

Завдання №6

Виконайте тестові завдання

Розташуйте взаємодії в порядку зростання їхньої величини. 1. Електромагнітна. 2. Сильна. 3. Слабка. 4. Гравітаційна
- А. 4 3 2 1.
- Б. 4 3 1 2.
- C. 1 3 2 4.
- Г. 1 2 3 4.
До якої іншої сили природи найближча за величиною слабка ядерна сила природи?
- A. Жоден з варіантів.
- Б. Сильна ядерна взаємодія.
- В. Гравітаційна сила.
- Г. Електромагнітна сила.
Яка з чотирьох взаємодій відповідає за радіоактивний розпад?
- А. Електромагнітна.
- Б. Сильна.
- В. Слабка.
- Г. Гравітаційна.
Яка з чотирьох сил відповідає за структуру галактик?
- А. Електромагнітна.
- Б. Сильна.
- В. Слабка.
- Г. Гравітаційна.
Яка взаємодія відповідає за притягання між двома тілами, що мають масу?
- А. Електромагнітна .
- Б. Сильна.
- В. Слабка.
- Г. Гравітаційна.
Який порядок величини характеризує діапазон дії сильної ядерної взаємодії?
- A. Від 10⁻³ до 10⁻² метра — міжатомні відстані в молекулах
- Б. Від 10⁻⁹ до 10⁻⁸ метра — розміри атомів
- В. Від 10⁻¹⁵ до 10⁻¹⁴ метра — масштаби ядра атома
- Г. Менше 10⁻²⁰ метра — масштаби кварків у протоні
Як називається елементарна частинка, що відповідає за передавання (опосередкування) електромагнітної взаємодії?
- A. Глюон
- Б. Фотон
- В. Бозон W
- Г. Гравітон
Яка взаємодія переважно бере участь в процесі ядерного синтезу?
- А. Електромагнітна .
- Б. Сильна.
- В. Слабка.
- Г. Гравітаційна.
Що є теоретичною частинкою-носієм для гравітації?
- А. Протон
- Б. Нейтрон
- В. Гравітон
- Г. Фотон
Який тип розпаду пов’язаний зі слабкою ядерною взаємодією?
- А. Альфа-розпад
- Б. Гамма-розпад
- В. Бета-розпад
- Г. Поділ

Завдання №7

Фізики розрізняють чотири фундаментальні взаємодії: гравітаційну, електромагнітну, слабку та сильну.
Усі чотири фундаментальні взаємодії вже експериментально доведено і мають відкриті частинки, що відповідають за кожну взаємодію.
Теорія суперструн описує лише гравітаційну силу, не пояснюючи інші взаємодії.
Електромагнітна, слабка та сильна взаємодії передаються через спеціальні частинки — калібрувальні бозони.
Слабка ядерна взаємодія утримує протони й нейтрони в ядрі атома.
Гравітація — найсильніша з усіх фундаментальних взаємодій.
Сильна ядерна взаємодія — найсильніша сила природи, що діє на дуже малих відстанях.
Електрослабка взаємодія — це поєднання електромагнітної та слабкої сил у єдину теорію.
Глюони, фотони та бозони W і Z — приклади бозонів, що передають взаємодії.
Гравітон — це відкритий експериментально бозон, який передає гравітацію.
Теорії великого об’єднання прагнуть об’єднати всі взаємодії, окрім гравітаційної.
Сильна взаємодія має безмежний діапазон дії і діє на будь-якій відстані.