1. Электромагнитные
2. Гравитационные
3. Сильные

Учащиеся должны знать, как спадает интенсивность поля в пространстве. Волновая ванна позволит вам на примере пояснить и наглядно показать некоторые свойства пространства. Как работает волновод. Как объяснить то, что ядерные силы короткодействующие.

Взаимодействия в природе осуществляются путем распространения волн в пространстве. Два заряженных шарика взаимодействуют между собой, распространяя электромагнитную волну.

Возьмем идеальный случай. Волна распространяется в пространстве без диссипации энергии.

Возьмем излучатель концентрической волны. Получим устойчивую картину круговых волн. Установим такой режим атеньюатора на волновой ванне, что волны будут медленно расходиться по поверхности жидкости.

Рис 1

Энергия распространяется вдоль волнового вектора. Каждый кусочек волнового фронта волны колеблется в одной фазе со всем волновым фронтом. Энергия, которую излучающее устройство (в данном случае насадка) сообщает, среде остается неизменной, а длина волнового фронта изменяется (медленно расширяется волновой фронт). Длина окружности зависит от радиуса как т.е. таким образом, длина волнового фронта растет при распространении волны пропорционально радиусу. Но на весь волновой фронт приходится одно и тоже количество энергии вне зависимости от того, как далеко он ушел от излучателя. Значит, на единицу длины приходится энергии здесь  Е - общая энергия, которая распространяется в пространстве как следствие одного колебания излучателя.

Можно утверждать, что в поверхностной волне, в идеальном случае интенсивность волны спадает обратно пропорционально расстоянию от ее источника. И таким образом, если будут между собой взаимодействовать два источника поверхностных волн (например, корабль и причал), то энергия их взаимодействия будет обратно пропорциональна расстоянию между ними.

Перейдем к сферической волне (мысленный эксперимент) в трехмерном пространстве. Мы имеем излучатель волн (антенну). В трехмерном пространстве роль длины волнового фронта играет площадь волнового фронта. Волновой фронт представляется сферой. Сфера растет, ее площадь поверхности зависит от расстояния до центра (источника) как . Значит единичный кусочек волнового фронта (который взаимодействует с другой антенной) имеет энергию, полученную от излучателя которую он делит со всеми кусочками волнового фронта . Таким образом можно говорить, что интенсивность сферической волны спадает как квадрат от расстояния. Это свойство не зависит от природы волны, это свойство пространства. Это справедливо как для электромагнитной волны, так и для звуковой. Так как тела взаимодействуют между собой волнами, то можно утверждать, что и интенсивность взаимодействия аналогично спадает как квадрат от расстояния.

Рассмотрим случай плоской волны в волновой ванне.

Закрепите в держателе вибратора насадку в виде плоской линейке. Расположите нижнюю кромку насадки параллельно поверхности воды так, чтобы она слегка касалась жидкости. Получите изображение плоской волны на экране.

Рис 2

Плоская волна одномерна, т.е. для ее описания нет необходимости задействовать более одной пространственной координаты. Волна распространяется вдоль одного направления. Примером плоской волны может служить волна в волноводе (здесь потеря интенсивности поля происходит только на диссипацию в среде) или излучение одномодового лазера (потеря энергии поля такого лазера от расстояния связано в основном с дифракционной расходимостью пучка). Длина волнового фронта плоской волны не меняется с расстоянием L=L=L*R⁰ , . Длина волнового фронта не меняется с расстоянием и значит, энергия, которую распространяет волна, не убывает с расстоянием.

Теперь подойдем с другой стороны. Рассмотрим ядерное взаимодействие. Ученикам нужно объяснить, почему ядерные - могучие силы незаметны на макроуровне. А электрические силы, которые намного слабее заметны. Обычно в ход идут поэтичные сравнения об очень сильном силаче с очень короткими руками.

Можно внести (предложить такую) модель: представить, что пространство для ядерного взаимодействия не трехмерно (как для электромагнитного и гравитационного поля), а многомерно скажем 5, 10, 13 или n. Тогда по аналогии с предыдущим описанием интенсивность поля сильного взаимодействия спадает . Таким образом, несмотря на то, что сильное взаимодействие может быть на микроуровне в 1000 раз сильнее, его интенсивность спадает намного быстрее. Внизу график, на котором, приведены примеры степенной функции от 0 до -7, (Размерность пространства 1÷8).

Рис 3

Размерность пространства для сильного взаимодействия так высока, что оно заметно, на дистанции, не выходящей за размер ядра. Электрическое поле протона заметно на размере атома.