Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Физика и естествознание. Учебное пособие

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

07.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

1 / 201 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 > Следующая >>>

1919

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ФИНАНСОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИ ПРАВИТЕЛЬСТВЕ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ»

(ФИНАНСОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ)

Департамент математики

Б.А.Путко

ФИЗИКА

ИЕСТЕСТВОЗНАНИЕ

Учебное пособие

для самостоятельной работы студентов

МОСКВА

2024

УДК 53 ББК 20+22.3я7 П90

Рецензенты:

Гисин Владимир Борисович, кандидат физико-математических наук, профессор, профессор Департамента математики Финансового университета при Правительстве Российской Федерации;

Дубовиков Михаил Михайлович, кандидат физикоматематических наук, исполнительный директор СРО НАКД. приглашенный эксперт НИР Финансового университета при Правительстве Российской Федерации.

Путко Б.А.

П90

Физика и естествознание: Учебное пособие /

Б.А.Путко.— М.: Прометей, 2024.— 184с.

ISBN 978-5-00172-659-3

Учебное пособие «Физика иестествознание» посвящено вопросам фундаментальной физики, которая представляет собой основу естествознания, является ее краеугольным камнем. Впособии приводится обзор понятий, общих для всех разделов физики. В то же время ее основным разделам — механике, термодинамике, электромагнетизму, теории относительности, квантовой механике— посвящаются отдельные главы.

Так как значительную часть контингента, обучающегося по специальности «Инноватика», составляет бакалавриат экономических ВУЗов, впособие включена отдельная глава, посвященная эконофизике— науке, которая применяет методологию физики канализу экономических данных.

Пособие рекомендуется студентам бакалаврам, обучающимся по специальности «Инноватика» (код ОКСО:

2.27.03.05). Это направление подготовки присутствует вряде российских вузов технической, экономической исоциологической направленности.

ISBN 978-5-00172-659-3

Оглавление

1. Введение. Естествознание иместо физики внем ........................ 5

2. Основные понятия физики ...........................................................12

2.1. Базовые понятия .......................................................12

2.2. Фундаментальные взаимодействия иполя ....................16

2.3. Потенциалы полей .....................................................19

3. Механика .......................................................................................22

3.1. Инерциальные системы отсчета ...................................22

3.2. Закон движения тела под действием сил. Импульс .........24

3.3. Моменты физических величин ....................................25

3.4. Изолированные изамкнутые системы отсчета ...............26

3.5. Центростремительное ускорение ицентробежная сила ....28

3.6. Механическая работа ипотенциальная энергия .............29

3.7. Кинетическая энергия ................................................30

3.8. Полная механическая энергия. Закон сохранения

энергии....................................................................31

3.9. Непотенциальные силы ..............................................32

3.10. Мощность ...............................................................34

3.11. Лагранжева игамильтонова механика ........................34

4. Гравитационное взаимодействие .................................................42

4.1. Гравитационное поле .................................................42

4.2. Задача двух тел. Законы Кеплера .................................45

4.3. Вторая космическая скорость ......................................52

5. Электромагнетизм ......................................................................... 55

5.1. Сила лоренца ............................................................55

5.2. Электрическое имагнитное поля ..................................56

5.3. Уравнения максвелла ................................................. 57

5.4. Электромагнитный потенциал .....................................58

5.5. Электростатика имагнитостатика ................................60

5.6. Статические поля, создаваемые источниками

с высокой степенью симметрии ...................................64

5.7. Энергия электромагнитного поля .................................70

5.8. Дипольное приближение электрического поля.

Поляризация ............................................................73

5.9. Электромагнитные волны ввакууме .............................77

6. Термодинамика .............................................................................83

6.1. Внутренняя энергия. количество тепла .........................83

6.2. Термодинамические системы .......................................84

6.3. Термодинамические процессы инулевое начало

термодинамики .........................................................85

6.4. Первое начало термодинамики ....................................87

6.5. Второе начало термодинамики. Температура иэнтропия .... 89

6.6. Третье начало термодинамики .....................................91

6.7. Теплоемкость итеплопередача .....................................92

6.8. Термодинамические циклы. Тепловые машины ..............96

6.9. Простые термодинамические системы ..........................99

6.10. Уравнения состояния идеального газа ....................... 101

6.11. Основное уравнение молекулярно-кинетической

теории газа ............................................................. 103

6.12. Удельная теплоемкость идеального газа

при постоянном объеме ............................................ 105

6.13. Явный вид равновесного процесса видеальном газе ........105

6.14. Физический смысл энтропии идеального газа ............ 106

6.15. Модель Ван-дер-Ваальса ......................................... 108

6.16. Свободная энергия. термодинамические потенциалы .. 109

6.17. Тепловое излучение ................................................111

7. Основы специальной теории относительности ......................... 114

7.1. Преобразования Лоренца .......................................... 114

7.2. Пространство минковского ....................................... 116

7.3. Релятивистская кинематика ..................................... 121

7.4. Релятивистская динамика ........................................ 129

8. Принципы квантовой механики ................................................ 135

8.1. Предпосылки возникновения квантовой механики ....... 135

8.2. Состояния системы .................................................. 138

8.3. Операторы физических величин ................................ 140

8.4. Среднее значение идисперсия физической величины ... 142

8.5. Одновременное измерение физических величин.

Принцип неопределенности ...................................... 144

8.6. Координатное представление. Оператор импульса ........ 145

8.7. Эволюция волновой функции. Уравнение

Шредингера иоператор эволюции ............................. 146

9. Элементы эконофизики ..............................................................149

П1. Единицы измерения ифундаментальные константы ........... 154

П2. Математика ...............................................................................160

Литература.......................................................................................192

1. ВВЕДЕНИЕ.

ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ ИМЕСТО ФИЗИКИ ВНЕМ

В настоящее время курсы естественных наук, включая физику, вводятся вразличных вузах, имеющих экономическую идаже, иногда, гуманитарную направленность. Примером может служить включение дисциплины «Физика и естествознание» в перечень обязательных дисциплин нафакультете «Высшая школа управления» поспециальности «Инноватика».

Принимается, что современная экономика, развитие инновационных технологий требуют отспециалистов нетолько узкого профильного образования, ноиопределенного научного кругозора.

При этом курс «Концепция современного естествознания» уже давно введен в некоторых гуманитарных вузах. Однако курс физики, введенный вФинансовом университете, неограничивается концептуальными результатами, апредполагает овладение студентами ипредметного материала.

В то же время основной упор при этом делается именно нато, что физика есть часть естествознания. Поэтому введение вданном пособии посвящено краткому обсуждению предмета естествознания иместа физики внем.

Предмет естествознания

Самый общий подход определяет естествознание как совокупность знаний о природных объектах, явлениях ипроцессах. При этом некоторые исследователи определяют понятие «естествознание» как систему наук оприроде, анекоторые как единую науку оприроде. Внастоящем пособии естествознаниерассматривается как область науки, включающая совокупность естественных наук, взятых как целое.

Цели естествознания:

1) находить сущность явлений природы, их законы

инаэтой основе предвидеть или создавать новые явления;

2) раскрывать возможность использования познан-

ных законов природы напрактике.

Естествознание ифилософия

По самой своей сути естествознание тесно переплетается сфилософией. Взаимосвязи этих двух направлений человеческой деятельности посвящено множество трудов. Если формулировать крайне лаконично, то естествознание создает картину мира, афилософия использует ее для формирования мировоззрения. Согласно [8], мировоззрение— это «система взглядов, оценок иобразных представлений омире иместе внём человека, общее отношение человека к окружающей действительности исамому себе, атакже обусловленные этими взглядами основные жизненные позиции людей, их убеждения, идеалы, принципы познания идеятельности, ценностные ориентации».

Таким образом развитие философии происходит на фоне достижений естествознания. В свою очередь философия снабжает исследователей природы методологическими основаниями, которые представляют собой принципы познавательной деятельности, законы развития исмены теорий, совокупность методов научного познания. В системе методологических оснований раскрывается взаимоотношение между общими методами познания: индуктивным, дедуктивным, аксиоматическим, моделирования, системно-структурным идр.

Настоящее пособие неставит целью подробное обсуждение взаимосвязи естествознания и философии (такое обсуждение присутствует, например, в[4]). Здесь же стоит только отметить, что естествознание ифилософия реально составляют двуединое целое. Ибазовые понятия, такие, как природа, материя, вещество являются общими как для естествознания, так идля философии. Внастоящем пособии такие понятия рассматриваются как «сверхначальные»— они неопределяются инеобсуждаются.

Место физики вестествознании

Классификацией наук, втом числе естественных наук, пытались заниматься многие ученые (подробнее в [4]). В настоящее время подобные классификации приняты вуниверситетах иАкадемиях Наук разных стран. ВРоссии также имеется классификация, вкоторой различные разделы различных наук имеют соответствующие коды.

Если очень грубо, науки можно разделить следующим образом:

Формальные— логика, математика, информатика.

Науки оприроде— физика, химия, биология, науки оЗемле икосмосе. Они являются естественными науками вклассическом смысле.

Науки очеловеке иобществе. Очень условно их можно разделить надве группы:

1. экономические, философские исоциальные;

2. исторические, филологические, культурологиче-

ские. Эти науки обычно называются гуманитарными.

Стоит еще раз отметить— приведенное разделение грубое и условное. Разумеется, один и тот же объект может служить предметом исследования различных наук. Наукам свойственно взаимопроникновение. Более того, важнейшие открытия произошли именно настыке наук, иногда втом числе естественных игуманитарных.

В структуре естествознания физика играет особую роль.

В первую очередь ее выделенная роль определяется ее базовостью. Физика имеет дело с самым фундаментальным уровнем организации материального мира, ссамыми глубинными свойствами материи. Ее предметом является материя во всех ее формах— отсамой простой досамой сложной. Физика имеет дело свременными интервалами

2410−

от частиц) до спространственными интервалами от ный размер нейтрино) до

секунд (время жизни некоторых элементарных

(время существования Вселенной), атакже

(диаметр наблюдаемой

1910−

метра (расчет-

части Вселенной).

На результаты физики опираются все естественные науки. Так, наиболее обширным разделом химии является физическая химия. Это раздел, изучающий наиболее общие законы строения, структуры ипревращения химических веществ спомощью теоретических иэкспериментальных методов физики. Аналогичная картина ивбиологии. Ее важнейшая составляющая— биофизика. Это раздел биологии, изучающий физические аспекты существования живой природы навсех её уровнях— отмолекул добиосферы вцелом.

Важно также отметить, что имеется исимметричный взгляд— химическая физика и биофизика рассматриваются как разделы физики, изучающие соответственно химические ибиологические процессы.

Фундаментальная иприкладная физика

Как естественная наука, физика подразделяется нафундаментальную иприкладную.

Фундаментальная физика изучает общие закономерности явлений природы, свойства и строение материи изаконы ее движения. Именно фундаментальная физика является «столпом» естествознания.

Прикладная физика— это комплекс научных дисциплин, разделов инаправлений физики, ставящих своей целью решение физических проблем для конкретных технологических ипрактических применений.

Настоящее пособие почти целиком посвящено фундаментальной физике, вопросы прикладной физики почти незатрагиваются. Такая концепция обусловлена тем, что главная задача настоящего пособия (как икурса)— дать студентам представление отом, что называется «физической картиной мира».

Само это понятие, вообще говоря, не имеет четкого определения. Так, например, ввикипедии физическая картина мира определяется как «обобщенный образ действительности, идеальная картина природы, формируе-

мая вфизической науке». Реально она включает основные понятия, основные принципы и основные законы, атакже стиль научного мышления.

Фундаментальная физика иматематика

Возможности иперспективы науки во многом определяются возможностями использования при ее изучении математического аппарата. Причем это относится не только к естественным наукам. Наиболее значимые результаты экономических исследований связаны сматематическим моделированием. Именно за эти исследования присуждена большая часть нобелевских премий поэкономике.

Что касается масштаба использования математики вестественных науках, то фундаментальная физика является здесь абсолютным лидером. Все результаты фундаментальной физики формулируются ввиде математических формул. Более того, многие физические результаты были сначала предсказаны теоретически спомощью математики илишь затем получили практическое подтверждение.

В некоторых вузах курс фундаментальной физики интегрирован вблок математических дисциплин.

Все сказанное выше обуславливает выбор стиля изложения материала в данном пособии. Он подобен тому, который принят в учебниках и монографиях по чисто математическим предметам. Базовые категории приводятся как начальные понятия, дальнейшие— в виде определений. Базовые экспериментальные законы, лежащие воснове разделов физики, формулируются как постулаты, следствия изних (атакже частные случаи)— как теоремы. Вбольшинстве случаев при этом приводятся математические доказательства.

Структура пособия

В главе 1рассматриваются иобсуждаются те самые базовые понятия, которые приводятся как начальные—

подобно тому, как вматематике приводятся понятия множества, величины ит.п.При этом, как уже было отмечено выше, необсуждаются такие «сверхбазовые» категории как материя, Вселенная идр., сущность которых является скорее предметом философии, анефизики.

В главе 2 приводятся понятия ирезультаты механики, универсальные для различных разделов классической физики. Материалом этой главы служит классическая, ньютоновская механика, основанная на принципе относительности Галилея.

Главы 3, 4 посвящены двум фундаментальным взаимодействиям— гравитационному иэлектромагнитному. Это единственные виды взаимодействия намакроуровне. Они обладают общим определяющим свойством— квадратичном убыванием помере удаления отисточника.

В главе 5рассматриваются физические явления, связанные свзаимным переходом механической итепловой энергии. Большая часть главы посвящена классической термодинамике. В виде постулатов приводятся базовые законы— так называемые, начала термодинамики. Именно при этом вводятся одновременно такие фундаментальные понятия как температура иэнтропия.

Главы 6, 7 касаются таких разделов современной физики как теория относительности (рассматривается лишь базовая, специальная теория относительности) и квантовая механика. Вотличие отпредыдущих глав математический аппарат оказывается более сложным; знание материала главы 1 здесь необходимо.

Отдельно следует отметить, что внастоящем пособии затрагиваются вопросы, имеющие непосредственное отношение кэкономическим специальностям. Эконофизика, утвердившая себя как наука несколько десятилетий назад, внастоящее время бурно развивается. Глава 8 имеет целью ознакомить читателя сэтим новым направлением.

Пособие включает всебя также приложения.

В приложении П1 представлен справочный материал— размерности физических величин, их определение

1 / 201 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]