Принцип причинности и лапласовский детерминизм.

Возникло философское учение — механистический детерминизм, классическим представителем которого был Пьер Симон Лаплас (1749—1827), французский математик, физик и философ. Лапласовский детерминизм выражает идею абсолютного детерми­низма — уверенность в том, что все происходящее имеет причи­ну в человеческом понятии и есть непознанная разумом необхо­димость. Суть его можно понять из высказывания Лапласа:

"Современные события имеют с событиями предшествующими связь, осно­ванную на очевидном принципе, что никакой предмет не может начать быть без причины, которая его произвела... Воля, сколь угодно свободная, не мо­жет без определенного мотива породить действия, даже такие, которые счи­таются нейтральными... Мы должны рассматривать современное состояние Вселенной как результат ее предшествующего состояния и причину после­дующего".

Дальнейшее развитие физики показало, что в природе могут происходить процессы, причину которых трудно определить. Например, процесс радиоактивного распада происходит случайно. Подобные процессы происходят объективно случайно, а не потому, что мы не можем указать их причину из-за недостатка наших знаний. И наука при этом не перестала развиваться, а обогатилась новыми законами, принципами и концепциями, которые показывают ограниченность классического принципа лапласовского детерминизма.

№17

Становление специальной теории относительности

К концу XIX столетия в науке преобладала теория абсолютно неподвижного в мировом пространстве эфира. Эта теория в даль­нейшем была развита нидерландским физиком X. Лоренцем и с тех пор носит его имя, хотя на самом деле она возникла значи­тельно раньше. Однако до этого, в 1851 г. французским физиком Физо был проведен эксперимент, показавший, что свет частично захватывается движущейся средой.

Позже, в 1877 г. в 8 томе Британской энциклопедии появи­лась статья Максвелла, в которой обращалось внимание на воз­можность обнаружения эфирного ветра (ether drifto) на поверх­ности Земли, движущейся по орбите вокруг Солнца со скоростью около 30 км/с.

А. Майкельсона построил в 1880 г. лабораторный кре­стообразный интерферометр с длиной оптического пути в 1,2 м и, к его удивлению, не получил ожидаемого смещения. Смещение было хаотическим и весьма малым. Прибор обнаружил высокую чувствительность ко всякого рода вибрациям. Поэтому Майкель-сон с помощью профессора Морли в 1886 г. построил второй интерферометр с длиной оптического пути в 11 метров и в нем были приняты меры против чувствительности к вибрациям: при­бор был помещен на поплавок, плававший на ртути.

Однако и на этот раз смещение интерференционных полос было в сто раз меньше ожидавшегося, что соответствовало отно­сительной скорости эфирного ветра на поверхности Земли не в 30 км/с, а всего лишь в 3 км/с, что никак не было объяснено.

Эксперименты были продолжены Морли и Миллером на Кливлендских высотах (высота над уровнем моря 250 м) и в 1904— 1905 гг. были получены устойчивые данные по величине эфирно­го ветра в 3—3,5 км/с, что вновь не соответствовало ожидавшему­ся значению в 30 км/с. На этом работы были временно отложе­ны и продолжены только в 1921 году Миллером в обсерватории Маунт Вилсон на высоте около 1800 м, где им вместе с помощ­никами к 1925 г. была проведена громадная работа и не только получены устойчивые данные по скорости эфирного ветра, рав­ной на этой высоте порядка 10 км/с, но и определено общее его направление. Оказалось, что эфирный ветер омывает Землю не в плоскости эклиптики, как ожидалось, а в направлении, почти перпендикулярном к нему, со стороны звезды «Дзета» созвездия Дракона, расположенной под углом 26 градусов к Полярной звез­де. Но все это случилось уже после того, как Эйнштейном в 1905 г. была опубликована его знаменитая статья «К электро­динамике движущихся тел».

Основные положения СТО

Эйнштейном введено не два, как об этом обычно пишут, а пять постулатов, и самым главным из них является постулат об отсутствии в природе эфира. В последующих статьях, особен­но в статье «Принцип относительности и его следствия» (1910) Эйнштейн утверждает, что «нельзя создать удовлетворительную теорию, не отказавшись от существования некоей среды, запол­няющей все пространство».

Вторым постулатом является упомянутый выше «принцип одновременности», непосредственно связавший факт одновре­менности событий со скоростью света.

Третьим постулатом является так называемый принцип от­носительности, гласящий, что все процессы в системе, находя­щейся в равномерном и прямолинейном движении, происходят по тем же законам, что и в покоящейся системе. Этот принцип относительно механических систем был выдвинут еще Галилеем, но Эйнштейн его распространил вообще на любые физические явления, в том числе и на электромагнитные. Этот постулат был бы невозможен, если бы эфир существовал: пришлось бы рас­сматривать процессы, связанные с движением тел относительно эфира. А раз эфира нет, то и рассматривать нечего.

Четвертым постулатом является принцип постоянства скоро­сти света и независимости скорости света от скорости движения источника. Этот постулат можно было бы использовать, если бы было твердо установлено, что свет является волновым движени­ем, поскольку всякая волна имеет постоянную скорость относи­тельно среды, а не относительно источника ее создавшего. Но структура фотона не была установлена, и поэтому такое предпо­ложение является некоторой натяжкой.

И, наконец, пятым постулатом является инвариантность ин­тервала, состоящего из четырех составляющих — трех простран­ственных координат и времени, умноженного на все ту же ско­рость света:

ds²=dх² + dy² + dz² – c²dt² = const.

Максимальная скорость передачи взаимодействий.

До начала XX века никто не сом­невался, что время абсолютно. Два события, одновременные для жите­лей Земли, одновременны для жите­лей любой космической цивилизации. Создание теории относительности по­казало, что это не так.

Причиной несостоятельности классических представлений о пространстве и времени является неправильное предположение о возможности мгновенной передачи взаимодействий и сигналов из одной точки пространства в другую. Существование предельной конечной скорости передачи взаимодействий вы­бывает необходимость глубокого измерения обычных представлений о пространстве и времени, основан­иях на повседневном опыте. Представление об абсолютном времени, которое течет раз и навсегда заданным темпом, совершенно независи­мо от материи и ее движения, оказывается неправильным.

Если допустить мгновенное рас­пространение сигналов, то утвержде­ние, что события в двух простран­ственно разделенных точках произошли одновременно, будет иметь абсолютный смысл. Можно по­местить в точки А и В часы и син­хронизировать их с помощью мгно­венных сигналов. Если такой сиг­нал отправлен из А, например, в О ч 45 мин и он в этот же момент времени по часам В пришел в точ­ку В, то, значит, часы показывают одинаковое время, т. е. идут синхрон­но. Если же такого совпадения нет, то часы можно синхронизировать, подведя вперед те часы, которые по­казывают меньшее время в момент отправления сигнала.

Любые события, например два удара молнии, одновременны, если они происходят при одинаковых по­казаниях синхронизированных ча­сов.

Для синхронизации часов естественно прибегнуть к световым или вообще электромагнитным сигна­лам, так как скорость электромагнит­ных волн в вакууме является строго определенной, постоянной величи­ной.

Именно этот способ используют для проверки часов по радио. Сиг­налы времени позволяют синхрони­зировать ваши часы с точными эта­лонными часами. Зная расстояние от радиостанции до дома, можно вы­числить поправку на запаздывание сигнала. Эта поправка, конечно, очень невелика. В повседневной жиз­ни она не играет сколько-нибудь за­метной роли. Но при огромных косми­ческих расстояниях она может ока­заться весьма существенной.

Два любых события в точках А и В, одновременные в системе Ki, не­одновременны в системе К, но в си­лу принципа относительности систе­мы Ki и К совершенно равноправ­ны. Ни одной из этих систем нельзя отдать предпочтение. Поэтому мы вынуждены прийти к заключению, что одновременность пространственно разделенных событий относительна. Причиной относительности одновременности является, как мы видим, конечность скорости распространения сигналов.

Одновременность событий отно­сительна. Представить себе это на­глядно, «почувствовать», мы не в со­стоянии из-за того, что скорость све­та много больше тех скоростей, с ко­торыми движемся мы.

Из принципа относительности одновременности вытекает принцип конечности передачи взаимодействий – максимальной скорости, которую можно придать телу, равной скорости света в вакууме.

Единое пространство-время.

Для количественного описания движения сформировались представления о пространстве и времени, которые за длитель­ный период развития естествознания претерпели существенные изменения.

В физике движение рассматривается в самом общем виде как изменение состояния или другой физической системы, и для описа­ния состояния вводится набор измеряемых параметров, к кото­рым со времен Декарта относятся пространственно-временные координаты, или точки пространственно-временного континуу­ма, означающего непрерывное множество. В физике использу­ются и другие параметры состояния систем: импульс, энергия, температура, спин и т. п.

В строгом определении время выражает порядок смены физических состояний и является объективной характеристикой любого физического процесса или явления; оно универсально. Гово­рить о времени безотносительно к изменениям в каких-либо реальных телах или системах — с физической точки зрения бес­смысленно.

В процессе развития физики с появлением специальной тео­рии относительности возникло утверждение: абсолютное время не имеет физического смысла, оно — лишь идеальное математи­ческое представление, ибо в природе нет такого реального фи­зического процесса, пригодного для измерения абсолютного времени.

Во-первых, течение времени зависит от скорости движения системы отсчета. При достаточно большой скорости, близкой к скорости света, время замедляется, т. е. возникает релятивист­ское замедление времени. Во-вторых, поле тяготения приводит к гравитационному замедлению времени. Можно говорить только о локальном времени в некоторой системе отсчета. В этой связи время не есть сущность, не зависящая от материи. Течет оно с различной скоростью в различных физических условиях. Время всегда относительно.

Важная особенность времени выражена в постулате времени: одинаковые во всех отношениях явления происходят за одинаковое время. Хотя этот постулат кажется естественным и очевидным, его ис­тинность относительна, так как его нельзя проверить на опыте даже с помощью самых совершенных, но реальных часов, по­скольку: 1) они все же не идеальны и характеризуются своей мерой точности; 2) нет абсолютной уверенности в возможности создания совершенно одинаковых условий в природе в разное время. Вместе с тем длительная практика естественнонаучных исследований позволяет нам не сомневаться в справедливости данного постулата в пределах определенной точности, которая может быть сколь угодно высокой.

Концепция пространства, как и концепция времени, прошла длительный путь становления и развития. Первое представление о пространстве возникло из очевидного существования в приро­де и в первую очередь в микромире твердых физических тел, занимающих определенный объем. Из такого представления вы­текало определение: пространство выражает порядок сосущест­вования физических тел. Первая законченная теория пространст­ва — геометрия Евклида. Она была создана примерно 2000 лет назад и до сих пор считается образцом научной теории. Геомет­рия Евклида оперирует идеальными математическими объекта­ми, которые существуют как бы вне времени, и в этом смысле пространство в этой геометрии — идеальное математическое пространство. Вплоть до середины XIX в., когда были созданы неевклидовы геометрии, никто из естествоиспытателей не со­мневался в тождественности реального физического и Евклидова пространств.

По аналогии с абсолютным временем Ньютон ввел понятие абсолютного пространства, которое может быть совершенно пус­тым и существует независимо от наличия в нем физических тел, являясь как бы мировой сферой, где разыгрываются физические процессы. Свойства такого пространства определяются Евклидо­вой геометрией. Такое представление о пространстве и до сих пор лежит в основе многих экспериментов, позволивших сделать крупные открытия.

Специальная теория относительности объединила простран­ство и время в единый континуум пространство—время. Осно­ванием для такого объединения послужил и постулат о предель­ной скорости передачи взаимодействий материальных тел — скорости света, равной в вакууме примерно 300 000 км/с, и принцип относительности. Из данной теории следует относи­тельность одновременности двух событий, происшедших в раз­ных точках пространства, а также относительность измерений длин и интервалов времени, произведенных в разных системах отсчета, движущихся относительно друг друга. Все это означает, что для реального мира пространство и время имеет не абсолют­ный, а относительный характер.

№18

СВЯЗЬ МЕЖДУ МАССОЙ И ЭНЕРГИЕЙ

Важнейшее следствие теории относительности, играющее одну из главных ролей в ядерной физике и физике элементарных частиц - универ­сальная связь между энергией и мас­сой.

Связь между энергией и массой неизбежно следует из закона сохра­нения энергии и того факта, что масса тела зависит от скорости его движения. Это видно из простого примера. При нагревании газа в со­суде ему сообщается определенная энергия. Скорость хаотического теп­лового движения молекул зависит от температуры, и увеличивается с нагреванием газа. Увеличение ско­рости движения молекул согласно формуле означает увеличение массы всех молекул. Следовательно, масса газа в сосуде увеличивается при увеличении его внутренней энергии. Между массой газа и его энергией существует связь.

Формула Эйнштейна. С помощью» теории относительности Эйнштейн установил замечательную по своей простоте и общности формулу связи между энергией и массой: E=mc²

Энергия тела или системы тел равна массе, умноженной на квадрат скорости света.

Если изменяется энергия системы, то изменяется и ее масса:

Так как коэффициент очень мал, то заметные изменения массы возможны лишь при очень больших изменениях энергии. При химических реакциях или при нагревании в обычных условиях изменения энергии настолько малы, что соот­ветствующие изменения масс не удается обнаружить на опыте. Лишь при превращениях атомных ядер и элементарных частиц изме­нения энергии оказываются настоль­ко большими, что изменение массы уде заметно.

При взрыве водородной бомбы выделяется около 10¹⁷ Дж. Эта энергия превышает выработку эле­ктроэнергии на всем земном шаре за несколько дней. Выделяющаяся энергия уносится вместе с излучени­ем. Излучение наряду с энергией обладает массой, которая составля­ет 0,1% массы исходных материалов.

Энергия покоя.

Согласно форму­ле (6.9) тело обладает энергией и при скорости, равной нулю. Это энергия покоя Ео:

E ₀ = m₀c²

Любое тело уже только благо факту своего существования обладает энергией, которая пропорциональна массе покоя то.

При превращениях элемента частиц, обладающих массой покоя в частицы, у которых mо=0, энергия покоя целиком превращается в кинетическую энергию вновь образовавшихся частиц. Этот факт является наиболее очевидным экспериментальным доказательством существования энергии покоя.

РЕЛЯТИВИСТСКИЕ ЭФФЕКТЫ

Специальная теория относительности, принципы которой сформулировал в 1905г А.Эйнштейн, представляет собой современную физическую теорию пространства и времени, в которой, как и в классической ньютановской механике, предполагается что время однородно, а пространство однородно и изотропно. Специальная теория часто называется релятивистской, а специфические явления, описываемые этой теорией, - релятивистским эффектом.

Движение тел со скоростью, близкой к скорости света, принято называть релятивистским.

Длина тела в направлении движения со скоростью v относи­тельно системы отсчета связана с длиной L₀ покоящегося тела соотношением, где с — скорость света в вакууме.

Промежугок времени t; в системе, движущейся со скоростью v по отношению к наблюдателю, связан с промежутком времени tо в неподвижной для наблюдателя системе соотношением

Зависимость массы тела от скорости его движения определя­ется по формуле

где m₀, — масса покоя тела.

Кинетическая энергия движущегося тела W = mc² – m₀c²,

где т — масса движущегося тела со скоростью v.

З акон сложения скоростей:

№19

Симметрия пространства-времени, законы сохранения.

ИНВАРИАНТНОСТЬ - неизменность какой-либо величины при изменении физических условий или по отношению к некоторым преобразованиям, напр., преобразованиям координат и времени при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой (релятивистская инвариантность).

СИММЕТРИЯ (от греч. symmetria — соразмерность) - в широком смысле — инвариантность (неизменность) структуры, свойств, формы материального объекта относительно его преобразований (т. е. изменений ряда физических условий). Симметрия лежит в основе законов сохранения.

Весьма важным для понимания законов природы является принцип инвариантности относительно сдвигов в пространстве и во времени, т. е. Параллельных переносов начала координат и начала отсчета времени. Он формулируется так: смещение во времени и в пространстве не влияет на протекание физических процессов.

Инвариантность непосредственно связана с симметрией, представляющей собой неизменность структуры материального объекта относительно его преобразований, т. е. изменения ряда физических условий.

В широком смысле симметрия означает инвариантность как неизменность свойств системы при некотором изменении (преобразовании) ее параметров. Наглядным примером простран­ственных симметрий физических систем является кристалличе­ская структура твердых тел. Симметрия кристаллов — закономер­ность атомного строения, внешней формы и физических свойств кристаллов, заключающаяся в том, что кристалл может быть со­вмещен с самим собой путем поворотов, отражений, параллель­ных переносов и других преобразований симметрии. Симметрия свойств кристалла обусловлена симметрией его строения. Напри­мер, как следует из математического моделирования, процесс взаимодействия свободного электрона с изотопами кристалличе­ской решетки имеет симметричный характер.

Орнамент — наверное, самое древнее отображение идеи симметрии, лежащей в основе многих фундаментальных зако­нов.

Из сформулированного принципа инвариантности относи­тельно сдвигов в пространстве и во времени следует симметрия пространства и времени, называемая однородностью простран­ства и времени.

Однородность пространства заключается в том, что при па­раллельном переносе в пространстве замкнутой системы тел как целого ее физические свойства и законы движения не изменя­ются, иными словами, не зависят от выбора положения начала координат инерциальной системы отсчета.

Из свойства симметрии пространства — его однородности следует закон сохранения импульса, импульс замкнутой системы сохраняется, т. е. не изменяется с течением времени. Закон со­хранения импульса справедлив не только в классической физи­ке, хотя он и получен как следствие законов Ньютона. Экспе­рименты доказывают, что он выполняется и для замкнутых сис­тем микрочастиц, подчиняющихся законам квантовой механики. Импульс сохраняется и для незамкнутой системы, если геомет­рическая сумма всех внешних сила равна нулю. Закон сохранения импульса носит универсальный характер и является фундаменталь­ным законом природы.

Однородность времени означает инвариантность физических законов относительно выбора начала отсчета времени. Напри­мер, при свободном падении тела в поле силы тяжести его ско­рость и пройденный путь зависят лишь от начальной скорости и продолжительности свободного падения тела и не зависят от того, когда тело начало падать.

Из однородности времени следует закон сохранения механиче­ской энергии: в системе тел, между которыми действуют только консервативные силы, полная механическая энергия сохраняется, т. е. не изменяется со временем. Консервативные силы действуют только в потенциальных полях, характеризующихся тем, что 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 конечного положений. Если же работа, совершае­мая силой, зависит от траектории перемещения тела из одной точки в другую, то такая сила называется диссипативной; напри­мер сила трения.

Механические системы, на тела которых действуют только консервативные силы (внутренние и внешние), называются кон­сервативными системами. Закон сохранения механической энер­гии можно сформулировать еще и так: в консервативных системах полная механическая энергия сохраняется.

В диссипативных системах механическая энергия постепенно уменьшается из-за преобразования ее в другие (немеханические) формы энергии. Этот процесс называется диссипацией, или рас­сеянием энергии. Строго говоря, все реальные системы в природе диссипативные.

В консервативных системах полная механическая энергия остается постоянной, могут происходить лишь превращения ки­нетической энергии в потенциальную и обратно в эквивалент­ных количествах.

Закон сохранения и превращения энергии — фундаментальный закон природы; он справедлив как для систем макроскопических тел, так и для микросистем.

В системе, в которой действуют консервативные и диссипа­тивные силы, например силы трения, полная механическая энергия системы не сохраняется. Следовательно, для такой сис­темы закон сохранения механической энергии не выполняется. Однако при убывании механической энергии всегда возникает эквивалентное количество энергии другого вида. Таким образом, энергия никогда не исчезает и не появляется вновь, она лишь пре­вращается из одного вида в другой. В этом заключается физиче­ская сущность закона сохранения и превращения энергии — сущность неуничтожения материи и ее движения, поскольку энергия, по определению, — универсальная мера различных форм движения и взаимодействия.

Закон сохранения энергии — результат обобщения многих экспериментальных данных. Идея этого закона принадле­жит М.В. Ломоносову (1711—1765), изложившему закон сохра­нения материи и движения, а количественная его формулировка дана немецкими учеными — врачом Ю. Майером (1814—1878) и естествоиспытателем Г. Гельмгольцем (1821—1894).

Обратимся еще к одному свойству симметрии пространства — его изотропности. Изотропность пространства означает инва­риантность физических законов относительно выбора направле­ний осей координат системы отсчета (относительно поворота замкнутой системы в пространстве на любой угол).

Из изотропности пространства следует фундаментальный за­кон природы — закон сохранения момента импульса: момент им­пульса замкнутой системы сохраняется, т. е. не изменяется с те­чением времени.

Симметрия и процесс познания

Связь между симметрией пространства и законами сохране­ния установила немецкий математик Эмми Нётер (1882—1935). Она сформулировала и доказала фундаментальную теорему ма­тематической физики, названную ее именем, из которой следу­ет, что из однородности пространства и времени вытекают зако­ны сохранения соответственно импульса и энергии, и из изотропно­сти пространства — закон сохранения момента импульса.

Выявление различных симметрий в природе, а иногда и постулирование их стало одним из методов теоретического иссле­дования свойств микро-, макро- и мегамира. Возросла в связи с этим роль весьма сложного и абстрактного математического ап­парата — теории групп — наиболее адекватного и точного языка для описания симметрии. Теория групп — одно из основных направлений современной математики. Значительный вклад в ее развитие внес французский математик Эварист Галуа (1811— 1832), жизнь которого рано оборвалась: в возрасте 21 года он был убит на дуэли.

С помощью теории групп русский минералог и кристалло­граф Е.С. Федоров (1853—1919) решил задачу классификации правильных пространственных систем точек — одну из основ­ных задач кристаллографии. Это исторически первый случай применения теории групп непосредственно в естествознании.

Существенное ограничение об однородном и изотропном пространственном распределении материи во Вселенной, нала­гаемое на уравнения общей теории материи и составляющее ос­нову космологического принципа, позволило А.А-Фридману (1888—1925) предсказать расширение Вселенной.

Анализируя роль принципов инвариантности современный американский физик-теоретик Э. Вигнер (р. 1902), лауреат Но­белевской премии 1963 г., показавший эффективность примене­ния теории групп в квантовой механике, выделил ряд ступеней в познании, поднимаясь на которые мы глубже и дальше обозре­ваем природу, лучше ее понимаем. Вначале в хаосе повседнев­ных фактов человек замечает некоторые эмпирические законо­мерности. Затем, выделяя общие свойства природных явлений и анализируя их связи, он формулирует математические законы природы, учитывая при этом начальные условия, которые могут иметь любой, даже случайный характер. Например, в классиче­ской механике в качестве начальных условий могут выступать координаты и скорость тела в некоторый начальный момент времени. Наконец, синтезируя уже известные законы, находят ряд принципов, позволяющих дедуктивным путем определить уже известные и пока неизвестные утверждения, предсказываю­щие те или иные физические явления и процессы.

Функция, которую несут принципы симметрии, по утвер­ждению Э. Вигнера, состоит в наделении структурой законов природы или установлении между ними внутренней связи, так как законы природы устанавливают структуру или взаимосвязь в мире явлений. Так создаются теории, охватывающие широкий круг физических явлений и процессов. Следующая ступень — анализ самих принципов границ или условий и выявление тех, при которых они выполняются.

Идею выявления основополагающих принципов и их после­довательное применение при описании и объяснении природ­ных явлений впервые предложил и реализовал с применением математического аппарата Исаак Ньютон еще в начале развития классической физики и задолго до появления современных представлений об инвариантности и симметрии. В своем труде "Оптика" он писал:

Вывести из явлений два или три общих принципа движения и затем изложить, как из этих ясных принципов вытекают свойства и действия всех веществен­ных предметов, вот что было бы очень большим шагом в философии, хотя причины этих принципов и не были еще открыты.

По своему содержанию и месту в теории познания такие принципы носят аксиоматический характер.

№22

Развитие представлений о природе тепловых явлений и свойств макросистем.

Вокруг нас происходят явления, внешне весьма косвенно связанные с механическим движением. Это явления, наблюдае­мые при изменении температуры тел, представляющих собой макросистемы, или при переходе их из одного состояния (например, жидкого) в другое (твердое либо газообразное). Та­кие явления называются тепловыми. Тепловые явления играют огромную роль в жизни людей, животных и растений. Измене­ние температуры на 20—30° С при смене времени года меняет все вокруг нас. От температуры окружающей среды зави­сит возможность жизни на Земле. Люди добились относитель­ной независимости от окружающей среды после того как научи­лись добывать и поддерживать огонь. Это было одним из вели­чавших открытий, сделанных на заре развития человечества.

История развития представлений о природе тепловых явле­ний — пример того, каким сложным и противоречивым путем постигают научную истину.

Многие философы древности рассматривали огонь и связан­ную с ним теплоту как одну из стихий, которая наряду с землей, водой и воздухом образует все тела. Одновременно предприни­мались попытки связать теплоту с движением, так как было за­мечено, что при соударении тел или трении друг о друга они нагреваются.

Первые успехи на пути построения научной теории теплоты относятся к началу XVII в., когда был изобретен термометр, и появилась возможность количественного исследования тепловых процессов и свойств макросистем.

Вновь был поставлен вопрос о том, что же такое теплота. На­метились две противоположные точки зрения. Согласно одной из них — вещественной теории тепла, теплота рассматривалась как особого рода невесомая "жидкость", способная перетекать из од­ного тела к другому. Эта жидкость была названа теплородом. Чем больше теплорода в теле, тем выше температура тела.

Согласно другой точке зрения, теплота — это вид внутрен­него движения частиц тела. Чем быстрее движутся частицы тела, тем выше его температура.

Таким образом, представление о тепловых явлениях и свойст­вах связывалось с атомистическим учением древних философов о строении вещества. В рамках таких представлений теорию тепла первоначально называли корпускулярной, от слова "корпускула" (частица). Ее придерживались ученые: Ньютон, Гук, Бойль, Бернулли.

Большой вклад в развитие корпускулярной теории тепла сде­лал великий русский ученый М.В. Ломоносов. Он рассматривал теплоту как вращательное движение частиц вещества. С помо­щью своей теории он объяснил в общем процессы плавления, испарения и теплопроводности, а также пришел к выводу о су­ществовании "наибольшей или последней степени холода", ко­гда движение частичек вещества прекращается. Благодаря рабо­там Ломоносова среди русских ученых было очень мало сторон­ников вещественной теории теплоты.

Но все же, несмотря на многие преимущества корпускуляр­ной теории теплоты, к середине XVIII в. временную победу одержала теория теплорода. Это произошло после того как экс­периментально было доказано сохранение теплоты при теплооб­мене. Отсюда был сделан вывод о сохранении (неуничтожении) тепловой жидкости — теплорода. В вещественной теории было введено понятие теплоемкости тел и построена количественная теория теплопроводности. Многие термины, введенные в то время, сохранились и сейчас.

С помощью корпускулярной теории теплоты не удалось по­лучить столь важные для физики количественные связи между величинами. В частности, не удалось объяснить, почему теплота сохраняется при теплообмене. В те времена не была ясна связь между механической характеристикой движения частиц — их кинетической энергией и температурой тела. Понятие энергии еще не было введено в физику. Поэтому, вероятно, на основе корпускулярной теории не могли быть достигнуты в XVIII в. те немалые успехи в развитии теории тепловых явлений, какие да­ла простая и наглядная теория теплорода.

К концу XVIII в. вещественная теория теплоты начала сталкиваться со все большими трудностями и к середине XIX в. потерпела полное и окончательное поражение. Большим числом разнообразных опытов было показано, что "тепловой жидкости" не существует. При трении можно получить любое количество теплоты: тем больше, чем более длительное время совершается операция трения. С другой стороны, при совер­шении работы паровыми машинами пар охлаждается и теплота исчезает.

В середине XIX в. была доказана связь между механической работой и количеством теплоты. Подобно работе количество те­плоты оказалось мерой изменения энергии. Нагревание тела связано не с увеличением в нем количества особой невесомой "жидкости", а с увеличением его энергии. Принцип теплорода был заменен гораздо более глубоким законом сохранения энер­гии. Было установлено, что теплота представляет собой форму энергии.

Значительный вклад в развитие теорий тепловых явлений и свойств макросистем внесли немецкий физик Р. Клаузиус (1822—1888), английский физик-теоретик Дж. Максвелл, авст­рийский физик Л. Больцман (1844—1906) и другие ученые.

Молекулярно-кинетическая теория строения и тепловых свойств вещества.

Открытие закона сохранения энергии способствовало разви­тию двух качественно различных, но взаимно дополняющих ме­тодов исследования тепловых явлений и свойств макросистем:

термодинамического и статистического (молекулярно-кинетического). Первый из них лежит в основе термодинамики, второй — молекулярной физики.

Одновременно с созданием термодинамических методов ис­следования развивались и корпускулярные представления тепло­вых свойств макросистем, в соответствии с которыми ставилась задача объяснения всех процессов, происходящих с макросисте­мами, на основе предположения о том, что вещество состоит из атомов или молекул, движение которых подчиняется законам Ньютона.

К концу XIX в. была создана последовательная теория пове­дения больших общностей атомов и молекул — молекулярно-кинетическая теория, или статистическая механика. Многочис­ленными опытами была доказана справедливость этой теории.

Процессы, изучаемые молекулярной физикой, являются ре­зультатом совокупного действия огромного числа молекул. По­ведение громадного числа молекул анализируется с помощью статистического метода, который основан на том, что свойства макроскопической системы в конечном результате определяются свойствами частиц систем, особенностями их движения и усред­ненными значениями кинетических и динамических характери­стик этих частиц (скорости, энергии, давления и т. д.). Напри­мер, температура тела определяется скоростью беспорядочного движения его молекул, но так как в любой момент времени раз­ные молекулы имеют различные скорости, то она может быть выражена только через среднее значение скорости движения молекул. Нельзя говорить о температуре одной молекулы. Мак­роскопические характеристики тел имеют физический смысл лишь в случае большого числа молекул.

В настоящее время в науке и технике широко используются как термодинамические, так и статистические методы описания свойств микросистемы.

В основе молекулярно-кинетических представлений о строении и свойствах макросистем лежат три положения:

•любое тело — твердое, жидкое или газообразное — состоит из большого числа весьма малых частиц — молекул (атомы можно рассматривать как одноатомные молекулы);

•молекулы всякого вещества находятся в беспорядочном, хао­тическом, не имеющем какого-либо преимущественного на­правления движении;

•интенсивность движения молекул зависит от температуры вещества.

Тепловые процессы связаны со строением вещества и его внутренней структурой. Например, нагревание кусочка парафи­на на несколько десятков градусов превращает его в жидкость, а такое же нагревание металлического стержня заметно не влияет на него. Такое различное действие нагревания связано с разли­чием во внутреннем строении этих веществ. Поэтому исследова­ние тепловых явлений можно использовать для выяснения об­щей картины строения вещества. И, наоборот, определенные представления о строении вещества помогают понять физическую сущность тепловых явлений, дать им глубокое наглядное истолкование.

Свойства и поведение макросистем, начиная от разреженных газов верхних слоев атмосферы и кончая твердыми телами на Земле, а также сверхтвердыми ядрами планет и звезд, определя­ются движением и взаимодействием друг с другом частиц, из ко­торых состоят все тела: молекул, атомов, элементарных частиц.

Непосредственным доказательством существования хаотиче­ского движения молекул служит броуновское движение, которое заключается в том, что весьма малые (видимые только в микро­скоп) взвешенные в жидкости частицы всегда находятся в со­стоянии непрерывного, беспорядочного движения, не зависящего от внешних причин, и оказывается проявлением внутреннего движения, совершаемого под влиянием беспорядочных ударов молекул.

Количественным воплощением молекулярно-кинетических представлений служат опытные газовые законы (Бойля— Мариотта, Гей-Люссака, Авогадро, Дальтона), уравнение Кла­пейрона—Менделеева (уравнение состояния), основное уравне­ние кинетической теории идеальных газов, закон Максвелла для распределения молекул и др.

Первое положение молекулярно-кинетических представле­ний — любое тело состоит из большого числа весьма малых частиц-молекул — доказано многочисленными опытами, одновре­менно подтвердившими реальное существование молекул и атомов.

№23

Уравнение состояния идеального газа.

Количественным воплощением молекулярно-кинетических представлений служат опытные газовые законы (Бойля—Мариотта, Гей-Люссака, Авогадро, Дальтона), уравнение Кла­пейрона—Менделеева (уравнение состояния), основное уравне­ние кинетической теории идеальных газов, закон Максвелла для распределения молекул и др.

Из основного уравнения молекулярно-кинетической теории вытекает важный вывод: средняя кинетическая энергия поступа­тельного движения одной молекулы идеального газа прямо пропор­циональна его термодинамической температуре и зависит только от нее:

Е= (3/2)кТ

где k — постоянная Больцмана; Т — температура.

Из данного уравнения следует, что при Т = 0 средняя кине­тическая энергия равна нулю, т. е. при абсолютном нуле пре­кращается поступательное движение молекул газа, а следова­тельно, его давление равно нулю. Термодинамическая темпера­тура — мера кинетической энергии поступательного движения идеального газа, а приведенная формула раскрывает молекулярно-кинетическое толкование температуры.

В молекулярно-кинетической теории пользуются идеализи­рованной моделью идеального газа, согласно которой:

• собственный объем молекул газа пренебрежимо мал по сравнению с объемом сосуда;

• между молекулами газа отсутствуют силы взаимодействия;

• столкновения молекул газа между собой и со стенками со­суда абсолютно упругие.

Модель идеального газа можно использовать при изучении ре­альных газов, так как в условиях, близких к нормальным (напри­мер, кислород и гелий), а также при низких давлениях и высоких температурах они близки по своим свойствам к идеальному газу. Кроме того, внеся поправки, учитывающие собственный объем мо­лекул газа и действующие молекулярные силы, можно перейти к теории реальных газов, из которой следует уравнение Ван-дер-Ваальса, описывающее состояние реального газа.

Идеальные газы подчиняются уравнению состояния Менделеева- Клапейрона:

pV=(m/)RТ,

где p — давление газа ; V — его объем; m — масса газа;  — молярная масса; R — универсальная газовая постоянная (R = 8,31 Дж/ моль К).

Другое уровнение:

p=nkT,

где k=R / Nа – постоянная Больцмана; Nа – число Авогадро (Nа= 6,02 10²³ моль^-1;

k= 1,38 *10^-23 Дж/К), n – число молекул в единице объёма, Т – температура.

Энергия взаимодействия молекул и агрегатные состояния. Понятие о фазовых переходах.

Большую часть энергии человек использует в виде тепла. Теплота – основа энергии.

Каждая система имеет свой запас внутренней энергии.

Три основные части внутренней энергии:

суммарная кинетическая энергия – хаотическое тепловое движение атомов и молекул.

суммарная потенциальная энергия атомов и молекул между собой.

внутримолекулярная или внутриатомная энергия элементов макросистем.

Способы существования макросистем:

твёрдые тела (кристаллы).

жидкие (изотропия), аморфные твёрдые тела.

газ.

(при высокой температуре переход от твердого к газу; при низкой – наоборот; при средней переход к жидкость);

очень высокая температура – плазма.

огонь.

Ек – кинетическая энергия, Еп – потенциальная энергия.

Ек >> Еп – твёрдое;

Еп  Ек – жидкость;

Еп << Ек – газ.

Идеальный газ – теоретическая модель для изучения реальных газов Еп = 0.

Фаза – однородное агрегатное состояние.

Переходы между разными агрегатными состояниями – фазовые переходы.

№24

Понятие термодинамического равновесия и температуры.

Температура – физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы. В соответствии с решением XI Генеральной конференции по мерам и весам (1960г.) в настоящее время рекомендовано применять только две температурные шкалы – термодинамическую и Международную практическую, градуированные соответственно в кельвинах и градусах Цельсия. Анализ показывает, что 0К (абсолютный нуль) недостижим, хотя приближение к нему сколь угодно близко возможно.

Любое изменение в термодинамической системе, связанное с изменением хотя бы одного его термодинамического параметра, называется термодинамическим процессом. Макроскопическая система находится в термодинамическом равновесии, если её состояние с течением времени не меняется (предполагается, что внешние условия рассматриваемой системы при этом не изменяются).

Абсолютная температура – Т(k) = t(c) + 273

Состояние термодинамического равновесия – это состояние, в которое приходит макросистема при изолировании данной системы от других систем (существуют открытые и изолированные системы). Получить изолированную систему очень сложно.

Понятие температуры можно применять к изолированным системам или к системам, находящимся в стационарном состоянии. (Градисит температуры – перепад температуры.)

Термодинамическое равновесие – состояние системы, в которой тела покоятся друг относительно друга, обладая одинаковыми температурами и давлением. Достигнув этого состояния, система сама по себе из него не выходит. Значит все термодинамические процессы, приближающиеся к тепловому равновесию, необратимы.

Теплота, внутренняя энергия и работа. Первое начало (закон) термодинамики.

Внутренняя энергия – энергия теплового (поступательного, вращательного и колебательного) движения молекул и потенциальной энергией их взаимодействия.

Возможны два способа изменения внутренней энергии термодинамической системы при её взаимодействии с внешними телами: путём совершения работы и путём теплообмена.

Когда системы взаимодействуют между собой они обмениваются энергией.

Работа связана с перемещением, теплообмен связан с теплотой.

Известно, что в процессе превращения энергии выполняется закон сохранения энергии. Поскольку тепловое движение тоже механическое (только не направленное, а хаотическое), то при всех превращениях должен выполняться закон сохранения энергии не только внешних, но и внутренних движений. В этом заключается качественная формулировка закона сохранения энергии для термодинамической системы – первое начало термодинамики. Количественная его формулировка: количество теплоты Q, сообщенное телу, идет на увеличение его внутренней энергии U и на совершение теплом работы А, т.е.

Q,= U + А.

Q – теплота полученная макросистемой от других систем.

U – изменение внутренней энергии макросистемы.

А – работа, которую совершила макросистема над другими системами.

Если отдает тепло – «- Q», если получает - « + Q».

Если совершает работу – «-А», если над системой – «+А».

Из первого начала термодинамики следует важный вывод: невозможен вечный двигатель первого рода, т.е. такой двигатель, который совершал бы работу «из ничего», без внешнего источника энергии. При наличии внешнего источника часть энергии неизбежно переходит в энергию теплового, хаотического движения молекул, что и является причиной невозможности полного превращения энергии внешнего источника в полезную работу.

Многочисленные опыты показывают, что все тепловые процессы необратимы в отличие от механического движения.

Если реализуется какой-либо термодинамический процесс, то обратный процесс, при котором проходятся те же тепловые состояния, но только в обратном направлении, практически невозможен. Другими словами, термодинамические процессы необратимы.

№25

Второе начало (закон) термодинамики. Концепция энтропии и закон её возрастания.

В системе тел, находящихся в термодинамическом равновесии, без внешнего вмешательства невозможны никакие реальные процессы. Следовательно, с помощью тел, находящихся в термодинамическом равновесии, невозможно совершить никакой работы, так работа связана с механическим движением, т.е. с переходом тепловой энергии в кинетическую.

Утверждение о невозможности получения работы за счет энергии тел, находящихся в термодинамическом равновесии, составляет сущность второго начала термодинамики. (Тепло не может переходить от менее нагретого тела к более нагретому. Тепло передается в одном направлении Тепловые процессы всегда стремятся к равновесию.)

Окружающая нас среда обладает значительными запасами тепловой энергии. Двигатель, работающий только за счет энергии находящихся в тепловом равновесии тел, был бы для практики вечным двигателем. Второе начало термодинамики исключает возможность создания такого вечного двигателя второго рода.

Необратимость тепловых процессов имеет вероятностный характер. Самопроизвольный переход тела из равновесного со­стояния в неравновесное не невозможен, а лишь подавляюще маловероятен. В конечном результате необратимость тепловых процессов обусловливается колоссальностью числа молекул, из которых состоит тело.

Молекулы газа стремятся к наиболее вероятному состоянию, т. е. состоянию с беспорядочным распределением молекул, при котором примерно одинаковое число молекул движется вверх и вниз, вправо и влево, при котором в каждом объеме находится примерно одинаковое число молекул, одинаковая доля быстрых и медленных молекул в верхней и нижней частях какого-либо сосуда. Любое отклонение от такого беспорядка, хаоса, т. е. от равномерного и беспорядочного перемешивания молекул по местам и скоростям, связано с уменьшением вероятности, или представляет собой менее вероятное событие. Напротив, явле­ния, связанные с перемешиванием, с созданием хаоса из поряд­ка, увеличивают вероятность состояния. Только при внешнем воздействии возможно рождение порядка из хаоса, при котором порядок вытесняет хаос. В качестве примеров, демонстрирую­щих порядок, можно привести созданные природой минералы, построенные человеком большие и малые сооружения или про­сто радующие глаз своеобразные фигуры.

Количественной характеристикой теплового состояния тела является число микроскопических способов, которыми это со­стояние может быть осуществлено. Это число называется статистическим весом состояния; обозначим его буквой Г. Тело, пре­доставленное самому себе, стремится перейти в состояние с большим статистическим весом. Принято пользоваться не самим числом Г, а его логарифмом, который еще умножается на посто­янную Больцмана k. Определенную таким образом величину S = k lnГ называют энтропией тела.

Нетрудно убедиться в том, что энтропия сложной системы равна сумме энтропии ее частей. Энтропия – мера беспорядка системы. Энтропия – части тепловой энергии к абсолютной температуре, которую нельзя превратить в работу: S =Q / Т.

Закон, определяющий направление тепловых процессов, можно сформулировать как закон возрастания энтропии: для всех происходящих в замкнутой системе тепловых процес­сов энтропия системы возрастает, максимально возможное значе­ние энтропии замкнутой системы достигается в тепловом равно­весии: S  0.

Данное утверждение принято считать количественной фор­мулировкой второго закона термодинамики, открытого Р.Ю.Клаузиусом (его молекулярно-кинетическое истолкование дано Л.Больцманом).

Идеальному случаю — полностью обратимому процессу замкнутой системы — соответствует неизменяющаяся энтропия. Все естественные процессы происходят так, что вероятность со­стояния возрастает, что означает переход от порядка к хаосу. Значит, энтропия характеризует меру хаоса, которая для всех естественных процессов возрастает. В этой связи закон о невоз­можности вечного двигателя второго рода, закон о стремлении тел к равновесному состоянию получают свое объяснение. По­чему механическое движение переходит в тепловое? Да потому, что механическое движение упорядочено, а тепловое беспоря­дочно, хаотично.

№28

Источник электромагнитного поля связанный с материальными носителями этого свойства (например электронами и протонами), называется электрическим зарядом. Электрический заряд не зависит от системы отсчета.

Носителями отрицательных зарядов в атоме являются электроны, носителями положительных зарядов — протоны, входящие в состав ядер, атомов. Сумма положительных и отрицательных зарядов в атоме равна нулю: заряды распределяются таким образом, что атом в целом является нейтральным.

В природе существует два типа электрических зарядов -положительные и отрицательные. Одноименные заряды друг от друга отталкиваются, разноименные — притягиваются. Опытным путем установлено, что электрический заряд дискретен, т.е. заряд любого типа составляет целое кратное от элементарного электриче­ского заряда е (е = 1,6 • 10^-19 Кл). Электрон (т_е = 9,11 • 10^-31кг) и протон m_р=1,67 • 10^-27кг) являются соответственно носителями элементарных отрицательного и положительного зарядов.

Закон сохранения заряда: алгебраическая сумма электрических зарядов любой замкнутой системы (системы, не обменивающейся заря­дами с внешними телами) остается неизменной, какие бы процес­сы ни происходили внутри данной системы.

Электрический заряд — величина релятивистски инвариант­ная, т.е. не зависит от системы отсчета, а значит, не зависит от того, движется данный заряд или покоится.

Единица электрического заряда - кулон (Кл) — это электри­ческий заряд, проходящий через поперечное сечение проводника при силе тока 1 Ампер за 1 секунду.

Носителями зарядов в различных средах могут быть электроны (например, в металлах), ионы — частицы молекул или атомов имеющие положительные и отрицательные заряды (например в электролитах и газах), и молионы — коллоидные частицы в жидкости имеющие заряды.

По модулю любой заряд кратен заряду электрона или протона.

Заряд протона равен по модулю заряду электрона.

В пространстве, окружающем электрический заряд, существует силовое поле, называемое электрическим полем, то есть электрическое поле создается электрическим зарядом. Электрическое поле, создаваемое неподвижными электрическими зарядами, принято называть электростатическим.

Опыт показывает , что подобно тому , как в пространстве , окружающем электрические заряды, возникает электромагнитное поле , так в пространстве, окружающем токи и постоянные магниты, возникает силовое поле называемое магнитным. Магнитное поле обнаруживается по силовому действию на внесенные в него проводники с током или постоянные магниты.

№29

В 60-х годах XIX в. английский физик Максвелл развил тео­рию Фарадея об электромагнитном поле и создал теорию элек­тромагнитного поля. Это была первая теория поля. Она касается только электрического и магнитного полей и весьма успешно объясняет многие электромагнитные явления. Полезно напом­нить некоторые основные идеи, лежащие в основе данной тео­рии, и вытекающие из нее выводы.

Из закона Фарадея(закон электро-магнитной индукции) следует, что любое изменение сцеплен­ного с контуром магнитного потока приводит к возникновению электродвижущей силы (ЭДС) индукции и вследствие этого по­является индукционный ток. Следовательно, возникновение ЭДС электромагнитной индукции возможно и в неподвижном контуре, находящемся в переменном магнитном поле. Однако ЭДС в любой цепи возникает только тогда, когда в ней на носи­телей тока действуют сторонние силы, т. е. силы не электростатического происхождения. Поэтому возникает вопрос о природе сторонних сил в данном случае. Опыт показывает, что такие сторонние силы не связаны ни с тепловыми, ни с химическими процессами в контуре; их возникновение нельзя также объяс­нить силами Лоренца, так как они на неподвижные заряды не действуют. Дж.Максвелл высказал гипотезу, что всякое пере­менное магнитное поле возбуждает в окружающем пространстве электрическое поле, которое и является причиной возникнове­ния индукционного тока в контуре. Согласно представлению Максвелла, контур, в котором появляется ЭДС, играет второсте­пенную роль, являясь своего рода лишь "прибором", обнаружи­вающим это поле. Электрическое поле, возбуждаемое магнитным полем, как и само магнитное поле, является вихревым.

Согласно Максвеллу, если всякое переменное магнитное по­ле возбуждает в пространстве вихревое электрическое поле, то должно существовать обратное явление: всякое изменение элек­трического поля должно вызывать появление в окружающем пространстве вихревого магнитного поля. Для установления ко­личественных соотношений между изменяющимся электриче­ским полем и вызываемым им магнитным полем Максвелл ввел в рассмотрение так называемый ток смещения, обладающий способностью создавать в окружающем пространстве магнитное поле. Ток смещения в вакууме не связан с движением зарядов, а обусловливается только изменением электрического поля во времени и вместе с тем возбуждает магнитное поле — в этом заключается принципиально новое утверждение Максвелла.

Из уравнений Максвелла следует, что источниками электриче­ского поля могут быть либо электрические заряды, либо изменяю­щиеся во времени магнитные поля, а магнитные поля могут возбуж­даться либо движущимися электрическими зарядами (электричес­кими токами), либо переменными электрическими полями. Уравне­ния Максвелла не симметричны относительно электрического и маг­нитного полей. Это связано с тем, что в природе существуют элек­трические заряды, но нет зарядов магнитных.

В стационарном случае, когда электрическое и магнитное поля не изменяются во времени, источниками электрического поля являются только электрические заряды, а источниками магнитного — только токи проводимости. В данном случае элек­трическое и магнитное поля независимы друг от друга, что и позволяет изучать отдельно постоянные электрические и маг­нитные поля.

Уравнения Максвелла — наиболее общие уравнения для электрических и магнитных полей в покоящихся средах. В уче­нии об электромагнетизме они играют такую же роль, как зако­ны Ньютона в механике. Из уравнений Максвелла следует, что переменное магнитное поле всегда связано с порождаемым им электрическим полем, а переменное электрическое поле связано с порождаемым им магнитным, т. е. электрическое и магнитное поля неразрывно связаны друг с другом — они образуют единое электромагнитное поле.

Долгое время считалось, что взаимодействие между телами может осуществляться непосредственно через пустое простран­ство, которое не принимает участия в передаче взаимодействия, и передача взаимодействия происходит мгновенно. Такое пред­положение составляет сущность концепции дальнодействия..

Основоположник концепции дальнодействия — французский математик физик и философ Рене Декарт. Многие ученые при­держивались этой концепции вплоть до конца XIX в.

Экспериментальные исследования электромагнитных явле­ний показали несоответствие концепции дальнодействия физи­ческому опыту. Кроме того, она находится в противоречии с по­стулатом специальной теории относительности, в соответствии с которым скорость передачи взаимодействий тел ограничена и не должна превышать скорость света в вакууме.

Было доказано, что взаимодействие электрически заряжен­ных тел осуществляется не мгновенно и перемещение одной за­ряженной частицы приводит к изменению сил, действующих на другие частицы, не в тот же момент, а лишь спустя конечное время. Каждая электрически заряженная частица создает элек­тромагнитное поле, действующее на другие заряженные части­цы, т. е. взаимодействие передается через "посредника" — элек­тромагнитное поле. Скорость распространения электромагнит­ного поля равна скорости света в пустоте — примерно 300 000 км/с. Это и составляет сущность новой концепции — концепции близкодействия, которая распространяется не только на электромагнитное, но и на другие виды взаимодействий.

№30

Основные характеристики колебательных и волновых процессов. Типы колебаний и волн. Резонанс.

Источник колебания волн – колебательные системы, в них возбуждаются колебания и они их распространяют в окружающее пространство. Колебание – периодически повторяющиеся движения или изменения. V=1/T – частота. Амплитуда – макс.. отклонение от положения равновесия. Фаза колебаний – это некоторая хар-ка, которая определяет, с какого момента времени мы рассматриваем колебание. Колебания содержат в себе запас энергии (кинетической и потенциальной). Потенциальная энергия характеризует отклонение тела от положения равновесия или нейтрального положения.

Классификация колебаний:

по природе колебания

механические (период перемещения тел, изменения его формы и объема)

электрические (колебания зарядов или токов)

упругие !

поверхностные (на поверхности раздела вода-воздух) ->гравитационные (т.к. вызваны притяжением Земли)

по характеру колебаний любой природы

гармонические (=идеальные) Не сущ. В природе.

Затухающие (прекращ. С течением времени

вынужденные (они происходят под действием периодической внешней силы)

параметрические (периодически меняют св-ва колебательной системы)

автоколебания (часы, человеческое сердце, работа радиопередатчика)

линейные (относительно малой амплитуды)

нелинейные (не сущ. общей теории о них) = реальные колебания

Вынужденные колебания

Резонанс – это явление сильного увеличения амплитуды вынужденных колебаний, когда частота внешней вынуждающей силой становится равной собственной частоте колебательной системы. При резонанса вынуждающая сила в течение всего периода колебания направлена в ту же сторону, что и вектор скорости колеблющегося тела. Поэтому она все время совершает положительную работу, увеличивая амплитуду колебаний тела. При несовпадении частоты вынуждающей силы и собственной частоты колебаний тела в течение одной части периода сила совершает положительную работу, увеличивая энергию тела, а в течение другой части периода та же сила совершает отрицательную работу, уменьшая энергию тела. При отсутствии трения и сопротивления воздуха амплитуда колебаний могла бы возрастать неограниченно, но в реальных условиях амплитуда установившихся колебаний определяется равенством потерь энергии и работы вынуждающей силы за период колебаний. Чем меньше будет трение и сопротивление, тем ярче будет выражен резонанс.

Волны – это колебания, которые распространяются в пространстве. Они бывают бегущими и стоячими. Передаются от одной точки к другой. Длина волны – это расстояние, на которое распростран. Колебание за ее 1 период, зависит от характера самих колебаний и от св-в среды. Скорость распространения волны бывает фазовая и групповая (та скоторость, с которой передается энергия с волной от одной точки к другой. Поляризация волн – это соотношение между двумя направлениями: в котором происходят колебания в волне и направлением распространения волны. Продольные волны – эти два направления совпадают (звуковые). Поперечные волны – колебания происходят перпендикулярно направлению распространения волны (свет). Смешанные волны = продольные и поперечные. Волновое поле – это обл. пространства, в котором распространяются волны. Фазовая (волновая) поверхность – это поверхность, на которой колеб. движения волны имеют одну и ту же фазу. Расстояние между соседними волновыми поверхностями, у которых фазы различаются на 2п - длина волны.

Интерференция волн (когерентные) – это результат положения или суперпозиции когерентных волн (у них разность фаз остается const с течением времени, их условие – одинаковость частот).

№31

Интерференция света заключается в том, что при взаимном наложении двух волн может происходить усиление или ослабление колебаний. Принцип интерференции был открыт в 1801 г. англи­чанином Томасом Юнгом (1773—1829), врачом по профессии. Юнг провел ставший теперь классическим опыт с двумя отвер­стиями. На экране кончиком булавки прокалывались два близко расположенных отверстия, которые освещались солнечным све­том из небольшого отверстия в зашторенном окне. За экраном наблюдалась вместо двух ярких точек серия чередующихся тем­ных и светлых колец.

Необходимым условием наблюдения интерференционной картины является когерентность волн (согласованное протека­ние колебательных или волновых процессов).

Явление интерференции широко используется в приборах — интерферометрах, с помощью которых осуществляются различ­ные точные измерения и производится контроль чистоты обра­ботки поверхности деталей, а также многие другие операции контроля.

В 1818 г. Френель представил обширный доклад по дифрак­ции света на конкурс Парижской Академии наук. Рассматривая этот доклад, А.Пуассон (1781—1840) пришел к выводу, что по предлагаемой Френелем теории при определенных условиях в центре дифракционной картины от непрозрачного круглого препятствия на пути света должно быть светлое пятно, а не тень. Это было ошеломляющее заключение. Д.Ф.Араго (1786—1853) тут же поставил опыт, и расчеты Пуассона подтвердились. Так противоречащее внешне теории Френеля заключение, сделанное Пуассоном, превратилось с помощью опыта Араго в одно из до­казательств ее справедливости, а также положило начало при­знанию волновой природы света.

Явление отклонения света от прямолинейного направления рас­пространения называется дифракцией.

На явлении дифракции основаны многие оптические прибо­ры. В частности, в кристаллографической аппаратуре использу­ется дифракция рентгеновских лучей.

№32

Виды электромагнитных излучений. Спектры излучений и их характеристики.

Инфракрасные лучи – это электромагнитные волны, которые испускает любое нагретое тело даже в том случае, когда оно нее светится. Источниками инфракрасных (тепловых) волн являются протопленная печь или батареи центрального отопления- нагретые тела. Разработаны приборы, преобразующие инфракрасное излучение в видимое (свет).

Ультрафиолетовые лучи – это электромагнитные волны с длиной меньше, чем у фиолетового света. Они невидимы. В малых дозах оказывают целебное действие, используются в медицине (убивают бактерии).

Ренгеновские лучи – это невидимые глазом электромагнитные волны, чьи длины лежат в диапазоне от ~5*10^-8 до ~5*10^-12. Они используются в медицине, физике, химии, биологии, технике.

Обычно под спектром понимают цветные полосы, получающиеся в результате разложения света призмой по длинам волн.

Непрерывные спектры – это такие спектры, в которых представлены все длины волн. В спектре нет разрывов, можно видеть сплошную разноцветную полоску. Непрерывные спектры дают только тела, находящиеся в твердом или жидком состоянии.

Линейчатый спектр – в излучении представлены только отдельные частоты. Здесь вещество испускает свет только в определенных очень узких спектральных интервалах. Линейчатые спектры дают все вещества в газообразном атомарном состоянии. Свет излучают атомы, которые практически не взаимодействуют друг с другом.

Полосатый спектр – спектр, состоящий из отдельных полос, разделенных темными промежутками. Каждая полоса – это совокупность большого числа очень тесно расположенных линий. Для веществ в газообразном состоянии, но газы должны состоять из молекул.

Спектр поглощения. Вещество просвечивается излучением с непрерывным спектром и с помощью спектра устанавливается, какие частоты исчезли в спектре после поглощения. Совокупность недостающих частот образует спектр поглощения.

№33

Тепловое (равновесное) излучение электромагнитных волн. Гипотеза Планка. Двойственная природа света и ее проявления.

В 1887 году Герц при освещении цинковой пластины, соединенной со стержнем электрометра, обнаружил явление фотоэлектрического эффекта. С поверхности металлической пластины под действием света вырываются отрицательные электрические заряды. Измерение заряды и массы частиц, вырываемых светом, показало, что эти частицы – электроны. Явление испускания электронов веществом под действием электромагнитного излучения называется фотоэффектом. Количественные закономерности фотоэффекта были установлены в 1888-1889 Столетовым : 1)сила тока насыщения прямо пропорциональна интенсивности светового излучения, падающего на поверхность тела; 2)максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и нее зависит от интенсивности светового излучения; 3)если частота света меньше некоторой определенной для данного вещества минимальной частоты, то фотоэффект не наблюдается (красная граница фотоэффекта). Объяснения основных законов фотоэффекта были даны в 1905 Эйнштейном на основании квантовых представлений. Электромагнитная теория Максвелла не смогла объяснить процессы испускания и поглощения света, фотоэлектрического эффекта. Теория Лоренца в свою очередь не смогла объяснить многие явления, связанные с взаимодействием света с веществом, в частности вопрос о распределении энергии по длинам волн при тепловом излучении абсолютно черного тела.

Перечисленные затруднения и противоречия были преодолены благодаря смелой гипотезы, высказанной в 1900 немецким физиком Планком, согласно которой излучение света происходит не непрерывно, а дискретно, то есть определенными порциями (квантами), энергия которых определяется частотой : E=hv, где h - постоянная Планка. Теория Планка не нуждается в понятии об эфире, она объясняет тепловое излучение абсолютно черного тела.

Эйнштейн в 1905 создал квантовую теорию света: не только излучение света, но и его распространение происходят в виде потока световых квантов-фотонов.

Все многообразие изученных свойств и законов распространения света, его взаимодействия с веществом показывает, что свет имеет сложную природу : он представляет собой единство противоположных свойств -–корпускулярного (квантового) и волнового(электромагнитного). Длительный путь развития привел к современным представлениям о двойственной корпускулярно – волновой природе света. Свет представляет собой единство дискретности и непрерывности, что находится в полном соответствии с выводами материалистической диалектики.

№34

Корпускулярно-волновой дуализм микрообъектов. Квантово-механическое описание процессов в микромире. Волны де Бройля и волновая функция.

Французский ученый Луи де Бройль (1892-1987), осознавая существующую в природе симметрию и развивая представления о двойственной корпускулярно-волновой природе света, выдвинул в 1923 гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализма. Он утверждал, что не только фотоны, но и электроны и любые другие частицы материи наряду с корпускулярными обладают волновыми свойствами. Согласно де Бройлю, с каждым микрообъектом связываются, с одной стороны, корпускулярные характеристики – энергия и импульс, а с другой – волновые характеристики – частота и длина волны.

Эта формула справедлива для любой частицы с импульсом р.

Впоследствии дифракционные явления были обнаружены для нейтронов, атомных и молекулярных пучков Это окончательно послужило доказательством наличия волновых свойств микрочастиц и позволило описывать их движение в виде волнового процесса, характеризующегося определенной длиной волны, рассчитываемой формуле де Бройля.

Наличие волновых свойств микрочастиц – универсальное явление, общее свойство материи. Но волновые свойства макроскопических тел не обнаружены экспериментально, поэтому макроскопические тела проявляют только одну сторону своих свойств – корпускулярную.

Подтвержденная экспериментально гипотеза де Бройля о корпускулярно-волновом дуализме свойств вещества коренным образом изменила представления о свойствах микрообъектов. Всем микрообъектам присущи и корпускулярные, и волновые свойства : для них существуют потенциальные возможности проявить себя в зависимости от внешних условий либо в виде волны, либо в виде частицы.

После создания квантовой механики возникли новые проблемы, в частности проблема, связанная с пониманием физической природы волн де Бройля. Дифракционная картина для микрочастиц – это проявление статистической (вероятностной) закономерности, согласно которой частицы попадают в те места, где интенсивность волн де Бройля наибольшая. Необходимость вероятностного подхода к описании микрочастиц – важная отличительная особенность квантовой теории. Борн в 1926 предположил, что по волновому закону меняется не сама вероятность, а амплитуда вероятности, названная волновой функцией. Описание состояния микрообъекта с помощью волновой ф-ции имеет статистический, вероятностный характер: квадрат модуля волновой ф-ции (квадрат модуля амплитуды волн де Бройля) определяет вероятность нахождения частицы в данный момент времени в определенном ограниченно объеме. В квантовой механике состояния микрочастиц описывается с помощью волновой ф-ции, которая является основным носителем информации об их корпускулярных и волновых свойствах.

№35

Соотношение неопределенностей в квантовой теории. Постоянная Планка. Вероятностный характер микропроцессов.

Согласно двойственный корпускулярно-волновой природе частиц вещества, для описания свойств микрочастиц используются либо волновые, либо корпускулярные представления. Приписать им все свойства частиц и все свойства волн нельзя. Возникает необходимость введения некоторых ограничений в применении к объектам микромира понятий классической механики.

В классической механики всякая частица движется по определенной траектории, так что в любой момент времени точно фиксированы ее координата и импульс. Но микрочастицы отличаются от классических, нельзя говорить о движении микрочастицы по определенной траектории и об одновременных точных значениях ее координаты и импульса. Гейзенберг, учитывая волновые свойства микрочастиц и связанные с волновыми свойствами ограничения в их поведении, пришел в 1927 к выводу: объект микромира невозможно одновременно с любой наперед заданной точностью характеризовать и координатой, и импульсом. Согласно соотношению неопределенностей Гейзенберга, микрочастица(микрообъект) НЕ МОЖЕТ ИМЕТЬ ОДНОВРЕМЕННО КООРДИНАТУ X И ОПРЕДЕЛЕННЫЙ ИМПУЛЬС р, причем неопределенности этих величин удовлетворяют условию:

То есть произведение неопределенностей координаты и импульса не может быть меньше постоянной Планка. Соотношение неопределенностей получено при одновременном использовании классических характеристик движения частицы (координаты, импульса) и наличия у нее волновых свойств. Так как в классической механике принимается, что измерение координаты и импульса может быть произведено с любой точностью, то соотношение неопределенностей является квантовым ограничением применимости классической механики к микрообъектам. Соотношение неопределенностей позволяет оценить, в какой мере можно применять понятия классической механики к микрочастицам. Соотношение неопределенностей, не давая возможности точно определить координаты и импульсы (скорости) частиц, устанавливает границу познаваемости мира и существования микрообъектов вне пространства и времени.

После создания квантовой механики возникли новые проблемы, в частности проблема, связанная с пониманием физической природы волн де Бройля. Дифракционная картина для микрочастиц – это проявление статистической (вероятностной) закономерности, согласно которой частицы попадают в те места, где интенсивность волн де Бройля наибольшая. Необходимость вероятностного подхода к описании микрочастиц – важная отличительная особенность квантовой теории. Борн в 1926 предположил, что по волновому закону меняется не сама вероятность, а амплитуда вероятности, названная волновой функцией. Описание состояния микрообъекта с помощью волновой ф-ции имеет статистический, вероятностный характер: квадрат модуля волновой ф-ции (квадрат модуля амплитуды волн де Бройля) определяет вероятность нахождения частицы в данный момент времени в определенном ограниченно объеме. В квантовой механике состояния микрочастиц описывается с помощью волновой ф-ции, которая является основным носителем информации об их корпускулярных и волновых свойствах.

№36

Неразличимость микрочастиц. Спин. Принцип Паули. Фермионы и бозоны.

Существует принцип тождественности микрообъектов. Все макросистемы индивидуальны, в то время как микрообъекты одинаковы. Признак симметрии волновой ф-ции: (ничего не изменилось). Волновая ф-ция обладает симметрией относительно перестановки микрообъектов. Отсюда волновая ф-ция бывает 2 типов (+-1): симметричные частицы – бозоны(фотоны, гравитоны), антисимметричные – фермионы(нейтрон, электрон, кварки, античастицы). Элементарные частицы – это маленькие вращающиеся волчки. Они характеризуются моментом импульса. Спин – собственный вращательный момент объектов. Спин бозонов принимает целочисленные значения : 0,1,2….*h. Спин фермионов – полуцелый: +-1/2,+-3/2…*h. Поведение фермионов и бозонов отличается. Для фермионов действует принцип Паули : в одном квантовом состоянии может находиться только один фермион. Для бозонов характерно такое поведение: в одном квантовом состоянии может находиться сколь угодно бозонов; чем больше бозонов, тем сильнее они «заманивают» других.

Следствия принципа Паули: 1) богатство химических элементов; 2)для каждого типа атома (H, He) электронная конфигурация совершенно разная. У разных химических элементов разные оболочки. Квантовая механика (Шредингер) объяснила разнообразие химических элементов и периодическую систему Менделеева, она очень многое объяснила из химии.

№37

Строение атомов. Квантовые числа. Механизм излучения электромагнитных волн атомами и молекулами. Спонтанное и вынужденное излучение.

Открытие сложного строения атома – важнейший этап становления современной физики. В древние времена и далее атомы считались неделимыми. Большую роль в развитии атомистической теории сыграл Д.И.Менделеев, разработавший в 1869 периодическую систему элементов. Во второй половине XIX было экспериментально доказано, что электрон является одной из основных частей любого вещества. Первые косвенные подтверждения о сложной структуре атомов были получены при изучении катодных лучей, возникающих при электрическом разряде в сильно разреженных газах. Изучение с-в этих лучей привело к заключению, что они представляют собой поток мельчайших частиц, несущих отрицательный электронный заряд и летящих со скоростью, близкой к скорости света. Это и есть электроны. Заряд электрона есть наименьший электрический заряд. Томсон предложил первую модель атома, по которой атом – сгусток материи, обладающий положительным электрическим зарядом, в который вкраплено столько электронов, что в целом атом – электрически нейтральное образование. Но эта модель не объясняла испускание положительно заряженных частиц. Эксперименты Резерфорда послужили основой для создания протонно-нейтронной модели атома. Эта модель и определяет современные представления об устройстве атома. В центре атома находится атомное ядро, весь остальной объем – это электроны. Внутри ядра электронов нет, ядро состоит из положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов. Число электронов в атоме равно числу протонов в ядре. Вся масса атома сосредоточена в ядре. Электроны движутся вокруг ядра (планетарная модель). Эта модель необходима для объяснения опыта по рассеиванию а-частиц, но она противоречит законам механики и электродинамики, т. к. не позволяет объяснить устойчивость атома. Ведь движение электронов по орбитам происходит с ускорением. Но атомы устойчивы и в невозбужденном состоянии могут существовать неограниченно долго, не излучая электромагнитных волн.

Это доказал Бор, который ввел свои квантовые постулаты, определяющие строение атома и условия испускания и поглощения им электромагнитного излучения:

1. Атомная система может находиться только в особых стационарных, или квантовых, состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия Е. В стационарном состоянии атом не излучает.

2. При переходе атома из одного стационарного состояния в другое испускается или поглощается квант электромагнитной энергии.

Переход атома из состояния с меньшей энергией в состояние с большей возможен только при поглощеени атомов энергии. Излучение происходит при переходе атома из состояния с большей энергией в состояние с меньшей. Энергия фотона равна разности энергий атома в двух его стационарных состояниях :

Излучение, испускаемое при самопроизвольном переходе атома из одного состояния в другое, называется спонтанным. Спонтанное излучение различных атомов происходит некогерентно, так как каждый атом начинает и заканчивает излучение независимо от других. В 1916 Эйнштейн предсказал, что переходы электрона в атоме с верхнего энергетического уровня на нижний с испусканием излучения могут происходить под влиянием внешнего электромагнитного поля. Такое излучение называют вынужденным или индуцированным.

№39