- •Основная задача классической механики и границы ее применимости
- •Принцип причинности и лапласовский детерминизм.
- •Понятие термодинамического равновесия и температура макросистем. Теплота, внутренняя энергия и работа. Первое начало (закон) термодинамики.
- •Виды материи и движения. Концепции пространства и времени.
- •Тождественность микрообъектов и индивидуальность макросистем
- •Проблема построения единой фундаментальной теории в физике.
- •Энергия взаимодействия молекул и агрегатные состояния. Уравнения состояния идеального газа.
- •Уравнения состояния идеального газа.
- •Взаимосвязь массы и энергии. Релятивистские эффекты.
- •Формула №1
- •Формула №2
- •Формула №3
- •Формула №4
- •Формула №5
- •Развитие концепций движения, пространства и времени
- •Эксперимент и теория. Наблюдения и измерения. Современные технические средства измерений. Основные характеристики измерительных приборов. Единицы измерения.
- •Становление специальной теории относительности
- •Строение атомов. Квантовые числа. Механизм излучения электромагнитных волн атомами и молекулами. Спонтанное и вынужденное излучение.
- •Физика - фундаментальная наука о природе. Основные этапы развития физики. Единство природы и универсальность физических законов.
- •Соотношение неопределенностей в квантовой теории. Постоянная Планка. Вероятностный характер микропроцессов.
- •Структурные уровни организации материи.
- •Виды фундаментальных взаимодействий. Универсальные физические постоянные.
- •Естествознание как основа научного мировоззрения. Особенности естественнонаучной истины. Естественные науки и философия, f
- •Естественнонаучные и религиозные знания
- •Роль естествознания в формирования профессиональных знаний. Естествознание, экономика и проблемы управления, f
- •Корпускулярно-волновой дуализм микрообъектов. Квантово-механическое описание процессов в микромире. Волны де Ьроиля и волновая" функция.
Естествознание как основа научного мировоззрения. Особенности естественнонаучной истины. Естественные науки и философия, f
Цель естествознания -описать, систематизировать и объяснить совокупность явлений и процессов. Для этого необходимо устанавливать причинно-следственную связь: причина -явление -следствие. Расширение такой связи и образование многомерной структуры, охватывающей множество явлений, служит основой научной теории, характеризующейся четкой логической структурой и состоящей из набора принципов или аксиом и теорем со всеми возможными выводами. По такой схеме строится любая математическая дисциплина. Но принципиальное различие естественно-научной истины от математической заключается в том, что для естествоиспытатаеля истинность теоретического вывода доказывается только опытом, экспериментом.
После того, как теория проверена опытом, наступает следующая стадия познания действительности, в которой устанавливаются границы истинности наших знаний ил границы применимости теорий и отдельных научных утверждений. Данная стадия обусловливается объективными (динамизм окружающего мира, несовершенство техники для эксперимента) и субъективными факторами. Но объективные и субъективные факторы •не позволяют утверждать, что естественно-научная истина абсолютна. .Любая научная истина относительна, но содержит элементы абсолютного.
Причинность (связь между отдельным состоянием видов и форм материи в процессе ее движения, развития, возникновение любых объектов и систем, а также изменение их свойств во времени имеют свои основания в предшествующих состояниях материи. Эти основания называют причинами, а вызываемые ими изменения -следствиями; сущность причинности -порождение причиной следствия, с помощью нее организована материально-практическая деятельность человека.
Критерий истины (если научная теория подтверждена практикой, то она истинна)
Относительность научного знания (Научное знание всегда относительно и ограничено, и задача ученого состоит в том, чтобы установить границы соответствия знания действительности -интервал адекватности)
Многие философы разных времен полагали, что категория «наука» объединяет часть того, что входит в большую категорию «знание».
Естественно, что кроме науки есть другие способы познания мира:
Релиния, философия, мораль искусиво.
№1 Фундаментальные и прикладные проблемы естествознания.
Для ответа на этот вопрос необходимо поставить и наши ответы на другие вопросы: Что дает наука для улучшения жизни людей? Что она дает небольшой группе людей, желающих знать, как устроен окружающий нас мир? Один из существенных признаков разделения естественных наук на прикладные и фундаментальные базируются именно на этих двух смыслах: ценной в первом случае считается прикладная наука, во втором -фундаментальная.
Причем следует отметить, что фундаментальная наука -это работа на будущее, и если мы не хотим оставить себя без будущего, то фундаментальная наука должна существовать. Разумеется, все люди в целом, и особенно те, которые вкладывают деньги в науку, думают немного по-другому. Для них -основная цель все-таки машины. И функция ученых, по их мнению, «скатывается» не к тому, чтобы искать, а к тому, чтобы находить.
Как отличить прикладные исследования от фундаментальных? Ведь некоторые исследования, прикладные по существу, никуда на самом деле «не прикладываются», могут существовать в ряде фундаментальных и требовать неоправданных вложений.
Встав перед этими проблемами в 50-х годах нашего века, в США были сформулированы основные характеристики термина «фундаментальные»:
• исследование, которое не соотнесено ни с каким конечным результатом
• бесполезно решительно для всех
• ищущее знание, которого пока нет
• предпринимаемое только потому, что этого желает исследователь
• не нуждающееся в ограничениях секретности
• проводимое исследователем, который не в состоянии объяснить, чем он занят
• новое исследование в области, не имеющей практического значения
Проблемы, которые ставятся перед учеными извне, называются прикладными.Проблемы, возникающие в самой науки, -фундаментальными.
Прикладное исследование может иметь очень большое значение и для самой науки, в то время, как фундаментальное исследование может быть
пустяковым. Большинство фундаментальных исследований никогда не найдут своего применения. Этому три причины:
• зачем копать глубоко, если можно доказать или получить необходимое с помощью прикладных наук
• фундаментальные исследования делаются с большим превышением потребностей во временных направлениях науки, от которых зачастую потом отказываются. Тем более в последнее время чаще стали использоваться теоретические методы исследования, в отличие -от эксперимента. Причина этого и дорогом оборудовании для теоретических исследований. Так рождаются многочисленные теории ради теорий
• ученые всегда стремились к неоправданному обобщательству
У общества нет выбора, и оно вынуждено идти на издержки просто потому, что отделить заранее бесполезное от полезного невозможно. Сегодня полезность должна рассматриваться не только в возможной выгоде завтра, но и в том, что они позволяют поддерживать высокий научный уровень. Кстати, низкий уровень прикладных институтов объясняется тем, что рядом с прикладниками в них нет специалистов. Занимающихся фундаментальными исследованиями.
№25
Неразличимость микрочастиц. Спин. Принцип Паули. Фермиоиы и бозоны. ____
Существует принцип тождественности микрообъектов. Все макросистемы индивидуальны, в то время как микроооъекты одинаковы. Признак симметрии волновой ф-ции: (ничего не изменилось). Волновая ф-ция обладает симметрией относительно перестановки микрообъектов. Отсюда волновая ф-ция бывает 2типов (+-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 (Н, Не) электронная конфигурация совершенно разная. У разных химических элементов разные оболочки. Квантовая механика (Шредингер) объяснила разнообразие химических элементов и пеоиодическую систему Менделеева, она очень многое объяснила из химии.
№?????
Необратимость реальных процессов. Статистический характер энтропии. Хаос, структура и порядок макросистем. Проблема тепловой смерти.
При соприкосновении тел процесс теплопередачи происходи! самопроизвольно от горячею тела к холодному до тех пор, пока оба тела не будут иметь одинаковые температуры. Все наблюдали, как налитый в чашку горячий чай постепенно остывает, нагревая окружающий воздух. Но никто не видел, чтобы теплый чай в чашке вдруг закипел за счет охлаждения окружающего его воздуха.
Процессы теплопередачи самопроизвольно осуществляют только в одном направлении, поэтому их называют необратимыми процессами.
Всегда осуществляется теплопередача тепла от горячего тела к холодному, потому что равномерное распределение быстрых и медленных молекул в двух сопрягающихся телах является более вероятным, чем такое распределение, при котором в одном теле будут только «быстрые» молекулы, а в другом —только «медленные».
Системы, состоящие из большого числа частиц, будучи предоставленные самим себе, само произвольно переходят из состояний менее вероятных в состояния более вероятные.
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.
В середине 19века активно обсуждалась проблематепловой смерти Вселенной.Рассматриваю Вселенную как замкнутую систему и применяя к ней второе начало термодинамики, Р.Ю. Клаузиус свел его содержание к утверждению, что энтропия Вселенной должна достигнуть своего максимума. Это означает, что все формы движения со временем должны перейти в тепловые. Переход же теплоты от горячих тел к холодным приведет к тому, что температура всех тел во Вселенной сравняется, т.е. наступит полное тепловое равновесие и все процессы во Вселенной прекратятся -наступит тепловая смерть Вселенной. Ошибочность вывода о тепловой смерти заключается в том, что бессмысленно применять второе начало термодинамики к незамкнутым сисгсмам. наппимеп к такой безгранично развивающейся системе, как Вселенная.
К №20
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 1период, 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 на2п -длина волны.
Интерференция волн (когерентные) -это результат положения или суперпозиции когерентных волн (у них разность фаз остаетсяconstс течением времени, ихусловие -одинаковость частот).
№7
Корпускулярная и континуальная концепции описания природы (атомы, поле, кванты). Развитие концепции атомизма.
В истории физикинаиболее плодотворной и важной для понимания явлений природы былаконцепция атомизма, согласно которой материя имеет прерывистое, дискретное строение, т. е. состоит из мельчайших частиц — атомов.До конца XIXв. в соответствии с концепцией атомизма считалось, что материя состоит из отдельных неделимых частиц —атомов. С точки зрения современного атомизма, электроны — "атомы" электричества, фотоны —"атомы" света и т. д.
Концепция атомизма, впервые предложенная древнегреческим философом Левкиппом в Vв. до н. э., развитая его учеником Демокритом и затем древнегреческим философом-материалистом Эпикуром (341—270до н. э.) и запечатленная в замечательной поэме "О природе вещей" римского поэта и философа Лукреция Кара (Iв. до н. э.), вплоть до нашего столетия оставалось умозрительной гипотезой, хотя и подтверждаемой косвенно некоторыми экспериментальными доказательствами (например, броуновским движением, законом Авогадро и др.).
Многие ведущие физики и химики даже в конце XIXв. не верили в реальность существования атомов. К тому же многие экспериментальные результаты химии и рассчитанные в соответствии с кинетической теорией газов данные утверждали другое понятие для мельчайших частиц — молекулы.
Реальное существование молекул было окончательно подтверждено в 1906г. опытами французского физика Жана Перрена (1870—1942)по изучению закономерностей броуновского Движения. В современном представлении молекула —наименьшая частица вещества, обладающая его основными химическими свойствами и состояния из атомов, соединенных между собой химическими связями.Число атомов в молекуле составляет от двух (Н;, О;,HF,KCI) до сотен и тысяч (некоторые витамины, гормоны и белки). Атомы инертных газов часто называют одноатомными молекулами. Если молекула состоит из тысяч и более повторяющихся единиц (одинаковых или близких по строению групп атомов), ее называют макромолекулой.
Атом — составная часть молекулы,в переводе с греческого означает "неделимый". Действительно, вплоть до конца XIXв. неделимость атома не вызывала серьезных возражений. Однако физические опыты конца XIXи начала XXстолетий не только подвергли сомнению неделимость атома, но и доказали существование его структуры. В своих опытах в 1897г. английский физик Джозеф Джон Томсон (1856—1940)открыл электрон, названный позднее атомом электричества. Электрон, как хорошо известно, входит в состав электронной оболочки атомов. В 1898г. Томсоп определил заряд электрона, а в 1903г. предложил одну из первых моделей атома.
любои пени возникает -юлько 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 силю 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 вихревою 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 происходи! 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 XIXв.
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 000км/с. Это и составляет сущность новой концепции — концепции близкодеиствия,которая распространяется не только на электромагнитное, но и на другие виды взаимодействий.
№?????