5. Развитие представлений о движении основные сведения

1. Вопрос о движении в мире относится к фундаментальным вопросам (наряду с такими проблемами, как сущность и виды материи, пространство и время, взаимодействие, причинность, закономерность и случайность, про­исхождение мира и др.), на которые должна дать ответ научная картина мира.

2. В Древней Греции (Аристотель) различали естественное и насильст­венное движение тел. Для земных тел естественным является перемещение или вниз («тяжелые» тела), или вверх («легкие» тела), причем считалось, что причина естественных движений заложена в их природе. Для небесных тел естественным предполагалось их движение вокруг Земли как центра Кос­моса. Насильственное движение объяснялось действием сил на тела, и оно прекращалось, если сила переставала действовать. Представления о естест­венных и насильственных силах и вызванных ими движениях вытекали из повседневной практики и наблюдений за движением тел в реальной жизни и были приняты в науке до XVIII в.

3. В основе классической механики лежит понятие материальной точ­ки, положение которой в пространстве характеризуется радиус-вектором г. При движении (перемещении) материальной точки конец радиус-вектора описывает в пространстве линию, называемую траекторией. Производная радиус-вектора г' = v представляет собой скорость, а производная скорости v' = а — ускорение материальной точки. Фундаментальным положением классической механики является утверждение о том, что в инерииалъных системах отсчета ускорение а материальной точки с массой т определяет­ся силой F, характеризующей ее взаимодействия с другими материальными объектами,

ma. = F.

В этом уравнении (его называют вторым законом Ньютона) фактически заключена вся классическая механика. С его помощью решается основная динамическая задача — определение траектории r(t) по заданным силам F.

5.4. Для определения траектории r(t) необходимо знать не только уравне­ние движения, но также начальное положение г(0) и начальную скорость v(0) материальной точки. Например, если F = const, то, обозначив F/m = g, из уравнения движения сразу получаем

gt²

2

r(t ) = ++ v(0)t + r(0).

где g — ускорение земного тяготения.

Очевидно, начальный момент времени может быть выбран произвольно. После этого радиус-вектор r(t), а значит, и траектория движения определя­ется однозначно как для t > 0 (будущее), так и для t < 0 (прошлое). Поэтому мгновенное положение и мгновенная скорость полностью и однозначно оп­ределяет траекторию движения материальной точки. В связи с этим гово­рят, что состояние материальной точки полностью определяется ее поло­жением и скоростью. То же самое можно сказать и о системах материальных точек, какими бы большими эти системы ни были.

5. В электромагнитной картине мира, созданной во второй половине XIX в., понятие движения как изменения состояния рассматриваемой сис­темы было распространено на физические поля. Структура электромагнит­ного поля с самого начала считалась непрерывной, так что для описания его состояния применяется континуальный подход. В частности, состоя­ние электромагнитного поля в вакууме описывается вектором напряжен­ности электрического поля Е и вектором магнитной индукции В, связан­ными друг с другом системой уравнений Максвелла, обобщающих извест­ные законы электрических и магнитных явлений (закон Кулона, закон электромагнитной индукции Фарадея, закон Био-Савара – Лапласа и др.). В уравнения Максвелла входят заряды и токи, являющиеся источниками электромагнитного поля, а также величины, характеризующие электрофи­зические свойства среды (диэлектрическая и магнитная проницаемость, элек­тропроводность и др.). С помощью этих уравнений определяется состояние электромагнитного поля в любой последующий момент времени. Таким образом, теория Максвелла не противоречит концепции детерминизма и относится к динамическим теориям. В теории Максвелла электричество и магнетизм не просто тесно связаны друг с другом, а, во-первых, представ­ляют собой единое электромагнитное поле, в котором, во-вторых, могут распространяться волны электромагнитных колебаний, в определенном частотном диапазоне воспринимаемые как свет. Таким образом, свет дей­ствительно представляет собой волновой процесс — распространение коле­баний электромагнитного поля.

6. Общий подход к движению материи как изменению ее состояния приводит к тому, что, наряду с механическим и электромагнитным движе­нием, следует рассматривать химическую, геологическую, биологическую, социальную и тому подобные формы движения материи. Современная на­учная картина мира считает эволюцию универсальной формой движения материи. В то же время, несмотря на многообразие форм движения, каче­ственные различия между ними не позволяют сводить их к чему-то одному, например биологическую форму к химической, или электромагнитную к механической.

ПРИМЕРЫ ТЕСТОВЫХ ЗАДАНИЙ

Задание 5.1 (выберите варианты согласно указанной последовательности). Укажите последовательность возникновения форм движения материи в ходе эволюции Вселенной:

Варианты ответа:

Ш Биологическая. Ш Химическая. Ш Физическая.

Обоснование ответа. После образования Вселенной в результате Боль­шого Взрыва единственной формой движения была физическая. В процессе этого этапа эволюции из кварк-глюонной плазмы образовались элементар­ные частицы, в том числе нуклоны и электроны, затем ядра атомов и, нако­нец, атомы водорода и гелия. В результате термоядерного синтеза в недрах звезд, а также при их взрывах сформировались все известные в настоящее время химические элементы. Эти элементы вступали в химические реак­ции, образуя разнообразные неорганические и органические химические со­единения. Наконец, при определенных условиях на Земле около 3,5 млрд лет назад возникли живые организмы и началась биологическая стадия эво­люции материи.

Правильной является последовательность: 1) физическая; 2) химическая; 3) биологическая.

Задание 5.2 (выберите один вариант ответа).

Понятие «движение» в естествознании означает ...

Варианты ответа:

1. Только перемещение тел в пространстве.

2. Только процесс деления клеток (митоз).

3. Только процесс химических реакций.

4. Изменение состояния тел, способ существования материи. Обоснование ответа. Перемещение тел в пространстве — это движение

в механике. Деление клеток — это «движение» в биологии. Химические ре­акции — это «движение» в химии. Общее определение движения, которое годится для всех областей естествознания, дается четвертым вариантом от­вета.

Правильным является вариант ответа: 4) изменение состояния тел, спо­соб существования материи.

Задание 5.3 (выберите один вариант ответа).

Состояние движения, которое обеспечивает стабильность предмета, со­хранение его качеств, называется ...

Варианты ответа:

1. Равновесием.

2. Статикой.

3. Статичностью.

4. Покоем.

Обоснование ответа. Вариант ответа в данном задании не является оче­видным. Попробуем воспользоваться методом исключения. Равновесие — это такое состояние, когда небольшие изменения приводят к возвращению системы в это состояние. В этом случае следует говорить не о стабильности

самого предмета, а о стабильности его состояния, положения. Статичность — это независимость от времени. Статичность состояния — это независимость состояния от времени, при этом тело может перемещаться в пространстве с постоянной скоростью или даже вращаться, если это электрон, находящий­ся в статическом (постоянном) магнитном поле. Статика — это раздел меха­ники, изучающий тела в состоянии равновесия. Наконец, покой — это со­стояние, при котором ничего не изменяется со временем. Правильным является вариант ответа: 4) покоем.

Задание 5.4 (выберите варианты ответа согласно указанной последова­тельности).

Расположите представления о движении в порядке их возникновения:

Варианты ответа:

1.Существуют два вида движения: «естественное» и «насильственное».

2. Существует один вид движения — механическое перемещение тел в пространстве и времени.

3. Существует множество форм движения материи.

Обоснование ответа. Представление о «естественном» и «насильствен­ном» движении тел существовало в Древней Греции. Например, падение тел происходит потому, что это движение «естественное». К концу XVII в., всвя-зи с развитием классической механики единственным видом движения, к которому могут быть сведены все природные явления, считалось механиче­ское перемещение тел в пространстве и во времени. Наконец, начиная с сере­дины XIX в. и до настоящего времени сложилось представление о множест­венности форм движения материи.

Правильной является последовательность: 1) существуют два вида дви­жения: «естественное» и «насильственное»; 2) существует один вид движе­ния — механическое перемещение тел в пространстве и времени; 3) сущест­вует множество форм движения материи.

Задание 5.5 (выберите один вариант ответа).

Пространственное перемещение представляет собой ... форму движения.

Варианты ответа:

1. Химическую.

2. Электромагнитную.

3. Гравитационную.

4. Механическую.

Обоснование ответа. Сразу следует исключить ответы «химическая» и «электромагнитная». Гравитационные движения являются перемещения­ми, однако они представляют собой частный случай механической формы движения.

Правильным является вариант ответа: 4) механическую.

Задание 5.6 (выберите один вариант ответа).

Процесс превращения одних молекул в другие относится к ... формам движения материи.

Варианты ответа:

1. Физическим.

2. Механическим.

3. Биологическим.

4. Химическим.

Обоснование ответа. Ответ на вопрос этого задания не должен вызвать затруднения.

Правильным является вариант ответа: 4) химическим.

Задание 5.7 (выберите один вариант ответа).

Совокупность последовательных положений, занимаемых телом в про­цессе движения, — это ...

Варианты ответа:

1. Равновесие.

2. Траектория.

3. Равноускоренное движение.

4. Идеальное движение.

Обоснование ответа. Одной из основных характеристик механического движения является траектория, представляющая непрерывную линию, ко­торую описывает точка при своем движении в координатном пространстве.

Правильным является вариант ответа: 2) траектория.

Задание 5.8 (выберите один правильный ответ).

Согласно Аристотелю, все движения делятся на два класса:

Варианты ответа:

1. Вниз и вверх.

2. Вправо и влево.

3. Естественное и насильственное.

4. Круговое и прямолинейное.

Обоснование ответа. Аристотель ввел понятие естественных и насиль­ственных движений тел. Для земных тел естественным является переме­щение или вниз («тяжелые» тела), или вверх («легкие» тела). Для небесных тел естественным предполагалось их круговое движение вокруг Земли как центра Космоса. Насильственное движение объяснялось действием сил на тела, и оно прекращалось, если сила переставала действовать. Представле­ния об естественных и насильственных движениях вытекали из повседнев­ной практики и наблюдений за движением тел в реальной жизни и были приняты в науке до эпохи Галилея и Ньютона.

Правильным является вариант ответа: 3) естественное и насильст­венное.