Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методологические основы курса физики. Учебно-методичеcкое пособие
.pdf
Приложение 5
№
Закон
Область применения
Математическая
запись
Формулировка
1
Сохранения энер-
гии
1. механика
Е + П = const
Полная энергия замкнутой
системы сохраняется (не из-
меняется со временем)
2. мкт и термодина-
мика;
Q = ΔU + A
3. электромагнетизм
и волны;
I2RΔt = Q
4. атомная физика;
hυ= A
вых
+ mv2/2
5. ядерная физика.
ΔE
св
= Δmc2
2
Сохранения им-
пульса
1. механика;
2. МКТ;
3. волны;
4. атомная физика;
5. ядерная физика;
1ni
miviconst
Суммарный импульс замкнутой системы тел остаѐтся по-
стоянным при любых взаимодействиях тел системы между
собой
3
Сохранения мо-
мента импульса
1. механика;
2. магнитное поле;
3. атомная физика;
4. ядерная физика.
LtM
d
d
const
Момент импульса замкнутой
системы материальных точек
постоянен
4
Сохранения заря-
да
1. мкт и термодина-
мика;
2. электромагнетизм
и волны;
3. атомная физика;
4. ядерная физика
1ni
qiconst
Суммарный заряд замкнутой
системы тел остаѐтся посто-
янным при любых взаимодей-
ствиях тел системы между
собой
5
Сохранения чѐт-
ности
1. атомная физика;
2. ядерная
физика.
ψ (± x, ± y, ± z) =
const
Волновая функция чѐтна (не-
чѐтна) в любой момент вре-
мени
6
Сохранения изо-
топического спи-
на
1. атомная физика;
2. ядерная физика.
Т = сonst
При взаимодействии пары
нуклонов (p–p, n–p, n-n) с
одинаковыми квантовыми
числами величина вектора
изотопического спина не ме-
няется
7
Сохранения эн-
тропии
мкт и термодинамика;
ΔS = 0
Энтропия системы, находя-
щейся в равновесном состоя-
нии постоянна
Законы сохранения в физике
231
Приложение 6
Фундаментальные опыты в
механике
Опыты Галилея по изучению движения тел. Мысленный эксперимент Галилея и закон инерции.
Открытие Ньютоном закона всемирного тяготения и опыт Кавендиша.
Опыты Гюйгенса по изучению колебательного движения.
Фундаментальные опыты в
молекулярной физике.
Опыты Броуна по изучению теплового движения молекул.
Опыт Релея по измерению размеров молекул. Опыты Перрена
по измерению массы молекул и определению постоянной Авогадро.
Опыт Штерна по измерению скорости движения молекул.
Опыты по исследованию свойств газов.
Опыты Бойля.
Опыты Румфорда.
Опыты Джоуля по доказательству эквивалентности теплоты и
работы.
Фундаментальные опыты в
электродинамике.
Опыты Кулона по электростатическому взаимодействию.
Опыты Рикке, Иоффе, Милликена, Мандельштама, Папалекси,
Толмена, Стюарта, лежащие в основе электронной теории проводимости.
Опыты Ома, позволившие установить закон постоянного тока.
Опыты Ампера, Эрстеда и Фарадея по электромагнетизму.
Опыты Герца по излучению и приѐму электромагнитных волн.
Фундаментальные опыты в
оптике.
Опыты, послужившие основой возникновения волновой теории света.
Опыты Ньютона по дисперсии света.
Опыты Ньютона по интерференции света. Опыты Юнга.
Опыты по поляризации света.
Астрономические наблюдения и лабораторные опыты по измерению скорости света.
Фундаментальные опыты в
квантовой физике.
Опыты А.Г.Столетова и Г.Герца по изучению явления и законов фотоэффекта.
Опыты П.Н.Лебедева по измерению давления света.
Опыты Резерфорда по зондированию вещества и модель
строения атома.
Опыты Франка и Герца и модель атома Бора.
Фундаментальные эксперименты в курсе физики
232
Приложение 7
Раздел
Принцип
Описание
Механика
Принцип относительности Эйнштейна
Никакие опыты (механические, электрические, оптические) проведенные внутри данной ИСО, не дают возможность обнаружить, покоится эта система или движется
равномерно и прямолинейно; все законы природы инвариантны по отношению к переходу от одной ИСО к другой.
Принцип инвариантности скорости света Эйнштейна
Скорость света в вакууме не зависит от скорости движения источника света или наблюдателя и одинакова во всех
инерциальных системах отсчета.
Принцип эквивалентности
Все физические явления в однородном магнитном поле
происходят совершенно так же, как и в соответствующем
однородном поле сил инерции.
Принцип независимости действия сил
Если на материальную точку действуют одновременно
несколько сил, то каждая из этих сил сообщает материальной точке ускорение, согласно второму закону Ньютона,
как будто других сил нет.
Принцип относительности Галилея
Законы динамики одинаковы во всех ИСО. Все ИСО по
своим механическим свойствам эквивалентны друг другу.
Принцип инерции Галилея
Если на тело не действуют внешние силы, то оно сохраняет состояние покоя или равномерного и прямолинейного
движения.
Принцип эквивалентности
У всех веществ инертная и гравитационная массы точно
совпадают.
Квантовая физика
Принцип неразличимости тождественных частиц
Экспериментально различить тождественные частицы невозможно.
Принцип Паули
В одном и том же атоме не может быть более одного электрона с одинаковым набором четырѐх квантовых чисел n, I,
m1 и m8, т.е. Z(n, I, m1 и m8) = 0 или 1.
Принцип суперпозиции для волновых функций
Если какая-либо система (частица или их совокупность)
может находиться в различных состояниях, описываемых
волновыми функциями то она может на-
ходиться в состоянии , описываемом линейной комбинацией этих функций.
Принцип неопределенности
Невозможно одновременно точно определить значения координаты и импульса частицы.
Обобщающая таблица «Принципы в физике»
233
Принцип дополнительности
При экспериментальном исследовании микрообъектов могут быть получены точные данные либо об их энергиях и
импульсах (энергетически-импульсная картина), либо о поведении в пространстве и времени (пространственновременная картина). Эти взаимоисключающие картины не
могут применяться одновременно, поскольку свойства
квантовых объектов запрещают их одновременное использование
Принцип соответствия
Теории, справедливость которых была экспериментально
установлена для определенной группы явлений, с появлением новой теории не отбрасываются, а сохраняют свое
значение для прежней области явлений как предельная
форма и частный случай новых теорий. Математический
аппарат новой теории, содержащий некий характеристический параметр при надлежащем его значении, переходит в
математический аппарат старой теории.
Принцип симметрии
Симметрия в физике – это свойство физических величин,
детально описывающих поведение систем, оставаться неизменными (инвариантными) при определенных преобразованиях, которыми могут быть подвергнуты входящие в
них величины.
Принцип симметрии тесно связан с законами сохранения
физических величин утверждениями, согласно которым
численные значения некоторых физических величин не изменяются со временем в любых процессах или в определенных классах процессов. Фактически во многих случаях
законы сохранения просто вытекают из принципов симметрии.
Принципы симметрии делятся на пространственновременные, или внешние, и внутренние симметрии, описывающие свойства элементарных частиц
Молекулярная физика
Принцип возрастания энтропии
Все процессы в замкнутой системе ведут к увеличению энтропии этой системы (ведь все реальные процессы необратимы). При статическом толковании энтропии это означает,
что процессы в замкнутой системе идут в направлении увеличения числа микросостояний, иными словами, от менее
вероятных состояний к более вероятным, до тех пор пока
вероятность состояния не станет максимальной.
Принцип недостижимости абсолютного нуля температуры
Невозможно осуществить такой процесс, в результате которого тело охладилось бы до температуры Т=0 К.
Принцип суперпозиции магнитных полей
Магнитная индукция результирующего поля, создаваемого
несколькими токами или движущимися зарядами, равна
векторной сумме магнитных индукций полей, создаваемых
каждым током или движущимся зарядом в отдельности.
234
Электриче-
ство и маг-
нетизм
Принцип суперпозиции (наложения) электростатических полей
Напряженность Е результирующего поля, создаваемого
системой зарядов, равна геометрической сумме напряженностей полей, создаваемых в данной точке каждым из зарядов в отдельности.
Колебания и волны
Принцип суперпозиции (наложения) волн
При распределении в линейной среде нескольких волн каждая из них распространяется так, как будто другие волны
отсутствуют, а результирующее смещение частицы среды в
любой момент времени равно геометрической сумме смещений, которые получают частицы среды, участвуя в каждом из независимых волновых процессов. Например, если
волны распространяются от двух источников, то они, доходя до какой-то точки, вызывают ее колебания независимо
друг от друга.
Оптика
Принцип Гюйгенса
Каждая точка, до которой доходит волна, служит центром
вторичных волн, а огибающая этих волн дает положение
волнового фронта в следующий момент времени (волновой
фронт - геометрическое место точек, до которых доходят
колебания к моменту времени t).
Принцип Гюйгенса - Френеля
Световая волна, возбуждаемая источником S, может быть
представлена как результат суперпозиции когерентных
вторичных волн, «излучаемых» фиктивными источниками.
Принцип Ферма
В пространстве между двумя точками свет распространяется по тому пути, вдоль которого время его прохождения
минимально.
Ядерная
физика
Принцип зарядового сопряжения
Для каждой элементарной частицы должна существовать
античастица
235
1. Термометрические пред-
ставления о связи макропа-
раметров с температурой:
T= , где P –давление, V –
объем, N – число молекул, k
– постоянная Больцмана.
Принцип установления
термометрических шкал:
на любой шкале выбивают-
ся две точки отсчета, одна
из которых представляет
собой точку замерзания во-
ды (0 ), а другая – точку
кипения (100 ).
2. Молекулярно – кинети-
ческая трактовка темпера-
туры как средней кинетиче-
ской энергии беспорядоч-
ного движения частиц веще-
ства:
T = .
3. Температура как параметр
распределения частиц по
скоростям, энергиям (рас-
пределение Максвелла -
Больцмана):
f( ) = 4 N( ) .
4. Характер взаимодействия
частиц вещества в различ-
ных состояниях, изменение
внутренней энергии и ее составляющих при изменении
температуры и агрегатных
превращениях.
U =
1. Термодинамика биологи-
ческих систем (БС) – раздел
биофизики, рассматривающий
общие закономерности пре-
вращений энергии, их связь с
обменом и транспортом ве-
ществ, а также приемы устой-
чивости и эволюции БС. По-
ложение о том, что БС должна
подчиняться законам термо-
динамики было выдвинуто в
середине XIX века. Позднее
подтверждение применимости
1 – го закона термодинамики
(сохранение энергии) к живым
организмам послужило осно-
вой для разработки представ-
лений о взаимосвязи теплооб-
мена с обменом веществ.
2. Хемоосмотическая тео-
рия – учение о механизме
преобразования энергии в
биологических мембранах при
синтезе АТФ. Это учение основано на испытании 2-го за-
кона термодинамики и выте-
кающих из него следствий,
которые опровергают воз-
можность протекания и на-
правления процессов.
1. Термохимия – раздел хими-
ческой термодинамики, опре-
деление тепловых эффектов
реакций и установление их за-
висимости от различных физи-
ко-химических параметров. В
задачу термохимии входит
также измерение теплоемко-
стей веществ и теплот фазовых
переходов (методом калори-
метрии, измерением темпера-
турных зависимостей констант
равновесия).
2. Термодинамика химическая
– изучает химические реакции,
а также зависимости термодинамических свойств веществ от
их состава, агрегатного состоя-
ния и внешних параметров –
T,P b и др. Теоретическая база
– законы термодинамики и их
следствия, молекулярные мо-
дели.
3. Термодинамика стати-
стическая – раздел статисти-
ческой физики, в котором ус-
танавливается статистический
смысл термодинамических
свойств системы и законов
термодинамики на основе за-
конов взаимодействия частиц
вещества
= А , - вероятность лю-
бой системы из N частиц при
температуре T в определенном
состоянии n с энергией .
Нормировочный множитель А
= .
4. Термодинамика растворов –
изучает зависимость свойств.
Приложение 8
Понятие «температура» в естествознании
236
Обобщающая таблица по понятию «поле»
Предмет/ разделы
Определение
Физика
Механика
Скалярное поле - поле физическое, которое описывается
функцией, в каждой точке пространства не изменяющейся при
повороте системы координат.
Гравитационное поле - поле физическое, создаваемое любыми
физическими объектами; через гравитационное поле осуществ-
ляется гравитационное взаимодействие тел.
Гравитационное поле – это изменение свойств пространства,
выраженное в виде его искривления под влиянием материаль-
ного объекта.
Поле потенциальное – поле, в котором работа, совершаемая
действующими силами при перемещении тела из одного положения в другое, не зависит от того, по какой траектории это перемещение произошло, а зависит только от начального и конеч-
ного положения тела.
Поле тяготения – поле, с помощью которого осуществляется
гравитационное взаимодействие между телами.
Поле тяготения однородное – поле тяготения, векторы напряженности которого во всех точках одинаковы.
Поле тяготения центральное – поле тяготения, векторы на-
пряженности которого во всех точках поля направлены вдоль
прямых, которые пересекаются в одной точке, неподвижной по
отношению к какой-либо инерциальной системе отсчета.
Силовое поле (стационарное поле) - часть пространства (огра-
ниченная или неограниченная), в каждой точке которой на помещѐнную туда материальную частицу действует определѐнная
по численной величине и направлению сила, зависящая только
от координат х, у, z этой точки.
Силовое поле — векторное поле сил в физике.
Нестационарное поле – если сила во всех точках силового поля
имеет одно и то же значение, т. е. не зависит ни от координат,
ни от времени.
Поле сильных взаимодействий – это поле, в котором взаимо-
действие проявляется не более чем 10
-13
см. В сильном взаимо-
действии участвуют только класс достаточно тяжелых частиц,
называемых адронами.
Адроны – самая большая группа элементарных частиц, к кото-
рой относят нуклоны (протон и нейтрон), пионы, каоны, гипероны и их античастицы. Адроны обладают сильным взаимодей-
ствием наряду с электромагнитным и слабым.
Поле слабых взаимодействий – это поле, в котором взаимодействие проявляется на расстояниях меньше размеры атома.
Слабое взаимодействие вызывает элементарное превращение
частиц друг в друга.
Звуковое поле – это область пространства, в которой распро-
237
Приложение 9
страняются звуковые волны, т.е. происходят акустические колебания частиц упругой среды (твѐрдой, жидкой или газообраз-
ной), заполняющей эту область.
Акустическое поле колебаний – это поле, которое возникает и
распространяется в упругих материальных средах, окружающих
рассматриваемые объекты (воздух, вода, грунт, стены зданий и
пр.) в виде акустических волн.
Акустические волны – акустические колебания, распростра-
няющиеся в материальной (газообразной, жидкой или твердой)
среде.
Поле электроакустических волн – это поле, в водной среде
при возбуждении в ней низкочастотных электромагнитных ко-
лебаний.
Поле объемнозарядовых электроакустических волн – это
поле, в котором волны возникают, когда в среде имеются сво-
бодные заряды.
Молекулярная
физика
Температурное поле - совокупность значений температуры во
всех точках какой-либо пространственной области в данный
момент времени.
Электродинамика
Электромагнитное поле - особая форма материи, посредством
которой осуществляется взаимодействие между электрически
заряженными частицами.
Электромагнитное поле – особая форма материи, посредством
которой осуществляется взаимодействие между материальными
объектами, как правило, заряженными электрически.
Электромагнитное поле – это поле создаваемое изменяющи-
мися во времени электрическим током или переменными элек-
трическими и магнитными полями.
Тепловое поле (тепловое (температурное) излучение (лучи-
стая энергия)- это разновидность электромагнитного поля,
формируемого любым веществом, имеющим температуру, отличную от 0 К за счет его внутренней энергии (в отличие, на-
пример, от хеми-, фотолюминесценции и пр., которые возбуждаются внешними источниками энергии).
Электрическое поле - одна из составляющих электромагнитно-
го поля, особый вид материи, существующий вокруг тел или
частиц, обладающих электрическим зарядом, а также в свобод-
ном виде при изменении магнитного поля.
Электрическое поле атмосферы - стационарное электрическое
поле, создаваемое электрическими объѐмными зарядами в
атмосфере, собственным зарядом Земли и зарядами, индуциро-
ванными в атмосфере.
Электрический объѐмный заряд - в атмосфере, мера электрической заряженности атмосферы; численно равен разности ме-
жду числом положительных и отрицательных зарядов всех частиц в некотором объѐме. Величина Э. о. з. характеризуется его
плотностью — величиной избыточного заряда единицы объѐма.
Электрическое поле Земли - естественное электрическое поле
238
Земли как планеты, которое наблюдается в твѐрдом теле Земли,
в морях, в атмосфере и магнитосфере. Э. п. 3. обусловлено
сложным комплексом геофизических явлений. Распределение
потенциала поля несѐт в себе определѐнную информацию о
строении Земли, о процессах, протекающих в нижних слоях атмосферы, в ионосфере, магнитосфере, а также в ближнем меж-
планетном пространстве и на Солнце.
Однородное электрическое поле – это электрическое поле, в
котором напряжѐнность одинакова по модулю и направлению
во всех точках пространства. Приблизительно однородным яв-
ляется поле между двумя разноимѐнно заряженными плоскими
металлическими пластинами. В однородном электрическом по-
ле линии напряжѐнности направлены параллельно друг другу.
Электростатическое поле – поле, созданное неподвижными в
пространстве и неизменными во времени электрическими заря-
дами (при отсутствии электрических токов).
Электростатическое поле – это постоянное или достаточно
медленное изменяющееся во времени поле, создаваемое элек-
трическими зарядами.
Поле электростатическое – поле, которое создается неподвижными электрическими зарядами.
Магнитостатическое поле – как правило, возникающее в окре-
стности постоянных магнитов или проводников с постоянным
(или достаточно медленно изменяющимся во времени) электри-
ческим током.
Магнитное поле – силовое поле в пространстве, окружающем
токи и постоянные магниты.
Магнитное поле - свойство пространства, часть электромаг-
нитного поля, проявляющаяся через воздействие на движущие-
ся заряженные частицы (в частности, токи), а также намагни-
ченные тела (независимо от того, движутся они или нет). На покоящиеся заряженные частицы магнитное поле (в отличие от
электрического) не действует.
Основные свойства магнитного поля:
1. Магнитное поле порождается электрическим током
(движущимися зарядами).
2. Магнитное поле обнаруживается по действию на элек-
трический ток (движущимися зарядами).
3. Подобно электрическому полю, магнитное поле сущест-
вует реально независимо от нас, от наших знаний о нем.
Поле магнитное в веществе – это поле складывается из двух
полей: внешнего поля , создаваемого намагничивающим током в вакууме, и поля , создаваемого намагниченным вещест-
вом (молекулярными токами):
= +
= µ
0
*( + )
= µ
0
* ( – вектор напряженности, характеризующий маг-
нитное поле макротоков, и = µ0* ( – вектор намагниченно-
239
сти).
Поле магнитное движущегося заряда – это поле создается
движущимися в вакууме или среде зарядами.
Однородное магнитное поле – поле, для которого в некоторой
области пространства вектор магнитной индукции остается по-
стоянным.
Вихревое поле – поле с замкнутыми силовыми линиями. Вих-
ревым является магнитное поле. Электрическое поле является
вихревым в том случае, когда оно порождается переменным
магнитным полем.
— физический термин, первоначально вве-
дѐнный математиком Эли Картаном в 1922 году для обозначения гипотетического физического поля, порождаемого кручени-
ем пространства. Название происходит от англ. torsion — кручение, от лат. torsio с тем же значением.
Универсальное единое поле (физический вакуум) – это поле,
в котором могут возникать полевые потоки индукции - потоки
возмущения поля, представляющие напряжѐнность полевого
пространства.
Оптика
Поле зрения - угловое пространство, видимое глазом при фик-
сированном взгляде и неподвижной голове. Среднестатистический человек имеет поле зрения : 55° вверх, 60° вниз, 90° нару-
жу и 60° — внутрь. Данное верно только для ахроматического
зрения (это связано с тем, что на краях сетчатки нет рецепторов-
колбочек, способных различать цвет). Наименьший размер поля
зрения — у зелѐного цвета, наибольший — у синего.
Поле (как волна) – это поле, в котором происходит процесс
распространения колебаний в пространстве.
Колебания – это изменения во времени характеристики, описывающей какой-либо физический процесс, относительно неко-
торого ее среднего значения, называемого устойчивым или рав-
новесным. Различают:
1. Механические колебания – это изменения положения мате-
риального объекта (любое тело, в том числе атом, молекула)
относительно положения равновесия. Например: вибрации.
2. Акустические колебания – это упругие механические коле-
бания атомов и молекул в газах, жидкостях и твердых телах.
3. Электромагнитные колебания – характеризуются измене-
нием относительно некоторого среднего значения (чаще все-
го – нулевого) величин векторов, характеризующих напря-
женность или индукцию электрической и магнитной состав-
ляющих поля.
4. Гравитационные колебания – это колебания связывают с
изменением во времени силы тяжести (или ускорения сво-
бодного падения g).
Ядерная физика
Квантовая теория поля (КТП) — раздел физики, изучающий
поведение квантовых систем с бесконечно большим числом
степеней свободы — квантовых (или квантованных) полей; яв-
240
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]