Контрольная работа_1 / 1- 8_Концепция современного естествознания

Вариант 8.

1. Какая наука лежит в основе естественнонаучного подхода и почему? Как менялось представление о ее роли в естествознании? Что понимается под “точным естествознанием”?

2. Поясните роль математики и моделирования в естествознании.

3. Что лежит в основе специальной теории относительности? К каким выводам она приводит?

4. В чем проявляется однородность и изотропность пространства?

5. Почему нарезное оружие стреляет на большое расстояние и с большой точностью по сравнению с гладкоствольным?

6. В чем сущность законов Ньютона? Приведите примеры.

7. Какие факты указывают на тождественность инертной и гравитационной масс?

8. Что такое черные дыры? Как они образуются?

9. Что называется потенциальной энергией? Каким образом она определяется? Приведите примеры.

10. Что называется энергией? Из каких составляющих она складывается?

1.Мы знаем,что естествознание как совокупность наук о природе выросло из натурфилософии,рассматривающей природу как единое целое.Но человечество развивается,хочет не только умозрительно описывать природу,а экспирементально изучать её законы.Физика изучает наиболее простые и общие свойства материального мира.Ведь законы физики являются обобщением многих опытов,они универсальны не только на Земле,но и во всей Вселенной,отражая материальное единство мира.Поэтому законы физики лежат в основе всех других областей естествознания. В физике были выявлены общие законы,объеденившие разные области,развивавшиеся внутри неё-законы механики,приведшие к формированию механической картины мира.Для создателей классической механики её законы совпадали с законами мышления.Образ устойчивости мира,связывающийся с детерминизмом механики,вплоть до нашего века являлся идеалом теоретической физики и всей науки.Динамика Ньютона,дополненная П.Лапласом ,Ж.Лагранжем и У.Гамильтоном представляла замкнутую универсальную систему,казалось,позволяющую дать ответ на любой вопрос.Закон всемирного тяготения был применён к телам солнечной системы:планетам,кометам,астероидам.Велика его роль в становлении идеи единства материального мира.Возникли представления о колебаниях и волнах,которые стали основой для использования дискретного и непрерывного описаний.Ведь единство природы и универсальность её законов наиболее ярко проявляются в колебательных и волновых процессах.

Объеденил всё естествознание закон сохранения и превращение энергии,количественно применяемый пока только в области физике и химии.Изучение электромагнитных явлений и появление теории электромагнитного поля требовали пересмотрения представлений о природе взаимодействий,что привело к созданию специальной и общейтеории относительности,формированию электромагнитной картины мира.Росло значение математики в формулировке законов физики,и законы сохранения и принципы симметрии приобрели значимый статус в описании природы.Если механика Галилея описывала процессы на поверхности Земли,то Ньютон распространил это описание на все тела,движущиеся в инерциальных системах отсчёта вплоть до скоростей,близких к скорости света.Энштейн расширил сферу применимости законов физики и на ускорённые системы отсчёта,вплоть до скоростей света.

Вошла в применение и квантовая гипотеза,возникшая в 30-е годы,которая привела к созданию квантовой механики,особой механики микромира.

Долгое время второе начало термодинамики-закон возрастания энтропии связывлось со стремлением к молекулярному хаосу,которому соответствует состояние равновесия или состояние с максимальной вероятностью.Тем самым эволюция и необратимость,связнные с пониманием времени,входили в науку в связке со сложностью коллективных взаимодействий в системах,состоящих из достаточно простых объектов.Сейчас ясно,что микрообъекты сами сложны,они могут рспадаться и рождаться,поэтому концепция представления сложного из простого,рождённая во времена становления европейской науки,устарела.Изменилась и роль необратимых процессов,воспринимаемая ранее как некоторое дополнительное приближение к законам термодинамики,т.е. понимаемая различно в физике и биологии или социологии.

Требовалось соеденить и выяснить условия перехода от одного представления к другому,так как сложились различные понимания времени:в динамике как связанного с движением,в термодинамике-как связанного с необратимостью,и времени как истории в биологии и социологии.

К середине нашнго столетия физический мир охватывал и элементарные частицы,и окружающие нас тела,и планеты,и саму Вселенную.

Сейчас помимо физики,химии,биологии в естествознание входят астрономия,геология,география,а также биофизика,геохимия,космология,генетика,цитология,электроника,радиобиология и т.п.В естествознание стали включать и психологию,опирающуюся на достижения физиологии,одновременно лежащую на границе с гуманитарными науками.

Выделение физики,химиии или биологии в отдельные науки и их интенсивное развитие связано с потребностями цивилизации,производства,техники,именно они определяют развитие тех или иных научных направлений.

Законы физики лежат в основе всех других областей естествознания и под термином''точное естествознание'' обычно понимаюжт точное знание природы,что и доказывает физика.

2.Со времени Галилея,Кеплера,Ньютона (17век) наступила пора аналитического естествознания,наступил переход к специально придуманным экспериментам и возрождение математического метода Архимеда отличает науку Нового времени.Ведь Кеплер подготовил создание дифференциального,интегрального и вариационого исчиления в математике,которые доработал НьюжтонОн построил механику материальной точки,переведя на математический язык обыденные представления об абсолютном пространстве и времени.Главный труд Ньютона ''Математические начала натуральной философии'' был отправным пунктом всех работ по механике и небесной механики в течении двух веков.Архимед вычислил значение числа ,открыл ныне известный закон Архимеда. Первые математические доказательства связывают с Фалесом.Произведение Евклида ''Начала'' заложило основы геометрии.Евклид и Архимед выделяли математические закономерности.

Система доказательств в математике стала складываться ещё в античные времена.Великий Платон писал,что арифметика есть чистое знание и центр всего космоса знаний.Впоследствии стало ясно,что математические закономерности отражают глубинную сущность законов природы.

Росло значение математики в формулировке законов физики,и законы сохранения и принципы симметрии приобрели весьма значимый статус в описании природы.

3.В основе специальной теории относительности лежат два правила:

1.Скорость света в вакууме постоянна и не зависит от движения наблюдателя или источника света;

2.Все физические явления(механические и электродинамические) происходят одинаково во всех телах,движущихся относительно друг друга прямолинейно и равномерно.

Принятие этих принципов означало изменение длин и времён в соответствии с преобразованиями Лоренца для тел,движущихся со скоростями,близкими к скорости света.Это было уже кардинальное преобразование наглядных представлений.Время и пространство объеденились в 4-х мерное пространство-время.

Общая теория относительности говорит о влиянии на ход времени распределения гравитационных масс.Например,вблизи массивных тел время замедляет свой ход,а вцентре планет время течёт несколько медленнее,чем на поверхности.Этот эффект тем заметнее,чем больше масса небесных тел.

Специальная теория относительности говорит о влиянии на течение времени изменения скорости-явление,известное как ''парадокс близнецов''.Поэтому,когда мы говорим о каком-либо явлении,правильно будет точнять,относительно какого тела и связанной с ним системы координат мы рассматриваем это явление.

Рассматривая одно и тоже явление в разных системах отсчёта,мы описываем его с помошью одних итех же законов,которые не меняются при переходе от одной системы отсчёта к другой.Эта неизменность носит название принципа относительности.

Принцип относительности утверюждет,что все инерциальные ситстемы отсчёта эквивалентны.Т.е.,все физические,химические и биологические процессы протекают в них по одним и темюже законам.

Принцип относительности для инерциальных систем отсчёта имеет своё продолжение и для неинерциальных систем отсчёта в принципе тождественности сил инерции и сил гравитации,положенном Энштейном в основу общей теории относительности.

Специальная теория относительности,которая основана на инвариантности скорости света, подтверждает тот факт,что скорость сигнала,несущего информацию,не моюжет превышать скорость света, а также ранее упоминавшийся ''парадокс близнецов''

Теория относительности, созданная Эйнштейном в 1905 г., стала закон­ченной теорией движения макроскопических тел. Её применение в теории эле­ментарных частиц наталкивается на ряд серьезных трудностей, которые, быть может, свидетельствуют о необходимости нового понимания принципа относи­тельности. Развитие атомной и особенно ядерной физики - блестящий триумф теории Эйнштейна - указывает вместе с тем на возможное дальнейшее развитие и обобщение этой теории.

Теория относительности ждет дальнейшего развития и обобщения и в другом направлении, помимо картины движений, взаимодействий и трансмута­ций элементарных частиц в областях порядка 10^-13 см, Она все в большей сте­пени становится теорией, описывающей строение космических областей, по сравнению с которыми исчезающе малы расстояния между звездами и даже расстояния между галактиками.

4.Однородность и изотропность пространства определяют его метрические свойства :возможность измерять расстояния с помощью единого эталона длины.

Свойство однородности заключается в том,что все точки пространства обладают одинаковыми свойствами,-нет выделенных точек пространства,параллельный перенос не изменяет вид законов природы.

При изотропности все направления в пространстве обладают одинаковыми свойствами,-нет выделенных направлений и поворот на любой угол сохраняет неизменными законы природы.

5.При выборе огнестрельного оружия предпочтение отдаётся нарезному по сравнению с гладкоствольным.Нарезное оружие,как известно,стреляет на большие расстояния и с большой точностью.Проходя через ствол,пуля закручивается и приобретает момент импльса,направленный вдоль скорости её движения.Этот момент импульса придаёт пуле устойчивую ориентацию в пространстве,так,что различные турбулентности воздуха,возникающие в силу быстрого её движения,не могут отклонить её от цели.

6.Первый закон Ньютона.

Каждое тело в любой момент времени взаимодействует со многими телами,однако не все взаимодействия следует учитывать.Пример:на гирю,лежащую на подставке,действуют многие тела,основные из которых-земля и подставка.Если на гирю садится комарик,то этим почти всегда можно принебречь.

Второй закон Ньютона.

Если на тело действует одна сила,то второй закон Ньютона можна сформулировать так:

Сила,действующая на тело,равна произведениюмассы тела на сообщаемое этой силой ускорение.

Второй закон Ньютона составляет основу не только классической механики, но и всей классической физики. Несмотря на простоту его математической формулировки

при объяснении его "физического смысла" возникают вполне определенные методические трудности. До сих пор в различные учебных курсах используются различные подходы к "физической" формулировке этого важнейшего закона, причем каждый из них обладает как определенными преимуществами, так и недостатками.

В нашем случае реализован подход, основанный на использовании независимого определения силы при помощи описания процедуры ее измерения. В его рамках две входящие в уравнение (1) векторные величины оказываются определенными еще до формулировки второго закона, что позволяет придать ей весьма простой и элегантный вид:

Опыт показывает, что ускорение, приобретаемое телом, движущимся под действием сил, пропорционально равнодействующей этих сил:

.

В рамках такого подхода инертная масса тела может быть определена как коэффициент пропорциональности между силой и ускорением, остающийся постоянным для данного тела в соответствии со вторым законом:

Из формулировки второго закона Ньютона (2) и определения массы (3) следует, что ускорение тела пропорционально равнодействующей приложенных к нему сил и обратно пропорционально его инертной массе:

Основным недостатком сформулированного подхода является то, что по техническим причинам изготовление отвечающего требованиям современной метрологии эталона силы оказывается существенно более сложной задачей, чем изготовление эталона массы. Более того, в ряде разделов современной физики (например - в квантовой механике) понятие силы вообще исчезает, в то время как масса остается вполне определенной физической величиной. С этих позиций более предпочтительным является независимое введение массы тела. Однако, формулировка второго закона в виде утверждения о том, что сила равна произведению массы тела на его ускорение придает второму закону вид, характерный для математического определения, а не формулировки закона природы.

Определяемая как коэффициент пропорциональности между силой и ускорением, инертная масса (в рамках классической физики) обладает следующими свойствами:

1. Масса - величина скалярная.

2. Mасса тела может выражаться любым неотрицательным вещественным числом.

3. Масса аддитивна (масса тела равна сумме масс составляющих его частей).

4. Масса не зависит ни от положения тела, ни от скорости его движения.

При больших скоростях движения тел второй закон Ньютона в формулировке (1) перестает выполняться. В частности, при движении под действием постоянной силы скорость тела перестает возрастать во времени по линейному закону и асимптотически стремится к предельному значению - скорости света в вакууме .Этот эффект формально можно отнести за счет возрастания инертной массы тела, которую в релятивистском случае можно считать зависящей от скорости.

Пример с парашутистом.

Сопротивление воздуха

Притяжение Земли

Третий закон Ньютона.

Согласно третьему закону Ньютона при взаимодействии тел возникают силы, приложенные к каждому из партнеров. При этом силы всегда оказываются равными друг другу по величине и противоположно направленными.

Из законов Ньютона следует, что в случае взаимодействия двух тел, не взаимодействующих с другими,  каждое из них должно двигаться с ускорением. Если масса одного из взаимодействующих тел существенно превосходит массу другого, то его ускорение оказывается малым.

При взаимодействии двух тел, согласно третьему закону, между ними возникают равные и противоположно - направленные силы.

Для изменения величины гравитационного взаимодействия поменяйте массу любого из взаимодействующих тел. Убедитесь при этом, что обе силы изменят свою величину, но по-прежнему останутся равными друг другу по модулю.

В данной демонстрации масса планеты существенно превосходит массу яблока. В результате яблоко ускоренно падает на практически неподвижную планету. На самом деле планета так же испытывает ускорение, но его величина меньше ускорения яблока в число, равное отношению массы яблока к массе планеты.

Можем привести ещё один пример взаимодействия двух тел: отдача при выстреле.

7.Массы,входящие в уравнение закона всемирного тяготения,наз. гравитационными.Инертные массы служат коэффициентом пропорциональности между силой,действующей на тело,и его ускорение.

Вся совокупность опытных фактов,накопленных современной наукой,указывает на то,что инертные и гравитационные массы всех тел строго пропорциональны друг другу.Это означает,что при надлежащем выборе едениц гравитационная и инертная массы становятся тождественными.

8. Черные дыры – объекты вселенной, которые привлекают интерес многих учёных-астрономов. Чёрные дыры, космические объекты, сущест­во­вание которых предсказывает общая теория относительности. Обра­зуются при неограниченном гравитационном коллапсе массивных косми­ческих тел (в частности, звезд с массами 40-60 M_). Коллапс гравитацион­ный - ката­строфически быстрое сжатие звезды под действием сил тяготения (гравитации).

Чёрные дыры-объекты Вселенной,для которых вторая космическая скорость превышает скорость света в вакууме.В области,окружавшей сжавшуюся массу,например остаток гигантской звезды,поле тяготение оказывается столь сильным,что не выпускает наружу даже свет.Граница такой области называется горизонтом событий потому,что ни один внешний наблюдатель не может видеть ничего из происходящего внутри за этим горизонтом,так как вторая космическая скорость там превышает скорость света, а движения со скоростями,большими скорости света,невозможны.Внутрь чёрной дыры может провалиться всё,что угодно,но ничего и никогда уже не выйдетобратно.Космический телескоп ''Хаббл''(США) зарегестрировал вихревые движения вещества,вращающегося вокруг чёрных дыр.Втягивание вещества из окружающих областей ещё более усиливает гравитационное притяжение чёрной дыры,увеличивается её способностью всасывать ещё больше вещества.

В нормальных звёздах энергия высвобождается при превращении водорода в гелий в ходе ядерного синтеза.Этот процесс превращает в энергию менее 1% массы,в соответствии с формулой Энштейна

9. Потенциальной энергией называется часть энергии,зависящая только от конфигурации системы или от её положения во внешнем поле сил.Силы электромагнитного и гравитационного взаимодействия являются консервативными или потенциальными.

Потенциальную энергию можно определить как сумарную энергию поля взаимодействующих тел и рассчитать как интеграл плотности энергии поля по всему пространству,где оно локализовано(например,между пластинами конденсатора).Ведь напряжённость электрического поля -это сила,действующая на единичный заряд( 1 кулон) в данной точке пространства.А напряжённость гравитационного поля –это сила,действующая на единицу массы(1кг.),она численно равна ускорению свободного падения в данной точке пространства.

Консервативными(потенциальными) силами называются такие силы,работа которых зависит только от начального и конечного состояний системы и не зависит от пути перехода системы из одного состояний в другое.Значит,каждому состоянию системы можно привести в соответствие некоторое число и,если разность этих чисел для двух различных состояний системы равна работе консервативных сил при переходе системы из одного состояния в другое,то это число и есть потенциальная энергия.Говорят о потенциальной энергии гравитационного и электромагнитного взимодействий. Потенциальная энергия обусловлена взаимодействием тел или частей одного тела друг с другом, а также взаимодействием тел с силовым потенциальным полем. Потенциальная энергия зависит: от взаимного расположения тел или их частей относительно друг друга, в случае взаимодействия тел с силовым полем от положения тела в силовом потенциальном поле.

Под силовым потенциальным полем понимается в данном случае область пространства, в которой на тело действуют силы, зависящие от положения этого тела и, работа которых не зависит от траектории движения тела, а зависит только от начального и конечного положения тела. Такие силы называются потенциальными. Примеры потенциальных силовых полей: гравитационное, электростатическое, поле упругих сил.

За изменение потенциальной энергии принята работа потенциальных сил, совершённая при перемещении тела из одной точки в другую, взятая с противоположным знаком. Это означает, что положительная работа совершается за счёт уменьшения потенциальной энергии системы.

При рассмотрении различных физических процессов можно измерить только изменение потенциальной энергии, а не её конкретную величину. Поэтому потенциальную энергию какого-нибудь определённого состояния рассматриваемой системы принимают за нуль, а потенциальную энергию других состояний этой системы отсчитывают от этого нуля. Например, потенциальную энергию притяжения тел к Земле на поверхности Земли принимают равной 0. Изолированное тело не может обладать потенциальной энергией и всегда, когда встречается выражение потенциальная энергия тела надо иметь в виду, что это энергия взаимодействия данного тела с какими-либо другими телами.

Наиболее употребительные формулы потенциальной энергии в школьном курсе механики: потенциальная энергия к Земле тела массой m поднятого над поверхностью Земли на высоту h малую по сравнению с радиусом Земли - , потенциальная энергия пружины жёсткостью k растянутой (сжатой) на расстояние

10.Энергия-скалярная физическая величина,являющаяся общей мерой различных форм движения материи.Иными словами, энергия-это просто число,рассчитываемое по определённым правилам.И природа нашей Вселенной такова,что сумарная энергия замкнутой системы с течением времени не изменяется.Как показал Энштейн,полная энергия системы,имеющей массу М,равна Е=Мс,где с-скорость света в вакууме.Закон сохранения энергии является отражением однородности времени.

Кинетической  энергией называют энергию движущихся тел. Под движением тела следует понимать не только перемещение в пространстве, но и вращение тела.Кинетическая  энергия тем больше, чем больше масса тела и скорость его движения.

Потенциальной  энергией называется энергия взаимодействующих тел или частей одного и того же тела. Принято различать потенциальную  энергию тел, находящихся под действием гравитационных сил, силы упругости, архимедовой силы.Потенциальная  энергия зависит от силы взаимодействия и расстояния между взаимодействующими телами (или частями тела)

Сумму кинетической и потенциальной  энергий тела  называют механической энергией тела.

Внутренняя энергия- такая  энергия тела, за счет которой может совершаться механическая работа, не вызывая убыли механической  энергией этого тела.

Внутренняя энергия тел зависит от множества причин, но в любом случае тем больше, чем больше масса и температура тела.

Закон сохранения энергии утверждает, что энергия никуда не исчезает и не возникает "из ничего"; она только переходит от одного тела к другому или из одного вида в другой.