Эксперимент и теория. Наблюдения и измерения. Современные технические средства измерений. Основные характеристики измерительных приборов. Единицы измерения.

Эксперимент и теория -современные средства естественнонаучных исследований.

В XXвеке произошло деление естествоиспытателей на профессиональных теоретиков и экспериментаторов. Причина этого деления в том, что технические средства эксперимента значительно усложнились. Экспериментальная работа зачастую не под силу теоретикам (например, ускоритель). Хорошая экспериментальная база (помещение, приборы, материалы) определяет качество экспериментальных работ, от которого зависит гармоничное развитие естествознания.

Отрыв теории от эксперимента наносит большой ущерб не только самой теории, но и всей науке в целом. Поэтому для развития естествознания важно, чтобы каждое теоретическое заключение проверялось на опыте.

Эксперимент осуществляется с помощью наблюдений и измерений.

Наблюдениязаключаются в сборе и анализе фактов без каких-либо специальных приспособлений. Измерения, напротив, требуют наличия технической базы, так как приходится сравнивать объект с эталоном.

Измерение -операция сравнения определяемой величины исследуемого объекта с соответствующей величиной эталона.

Прямые измерения. Определяемая величина сравнивается с единицей измерения непосредственно с помощью измерительного прибора.

Косвенные измерения. Определяемая величина вычисляется по формуле, включающей результат прямых измерений.

Современные технические средства эксперимента.

Лазерная техника.

• лазер с перестраиваемой длинной волны излучения.

• ультрафиолетовые лазеры (криптон-фторидные).

• лазер с малой длительностью импульса. Области применения:

• фотохимия -изучение фотосинтеза.

• ядерная физика -очистка изотопов урана и плутония.

• биология -изучение организмов на клеточном уровне.Синхротронные источники излучения. Области применения:

• исследование структуры твердых тел.

• определение расстояния между атомами.

• изучение молекул органических соединений.

Единицы измерения СИ.

Метр -единица длины [м]. Равен длине пути, который проходит свет за 1/299792458секунды.

Килограмм -единица массы [кг]. Равен массе международного прототипа килограмма (1литр воды).

Секунда -единица времени [с]. Равна 9192631770периодам излучения атома цезия-133 (1/86400Земных суток).

Кельвин -единица температуры [К]. Равен 1/273,16части термодинамической тройной точки воды (0°С).

Кандела -единица силы света.

Моль -количество вещества.

№10

Становление специальной теории относительности

К концу XIXстолетия 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, в1851г. французским физиком Физо был проведен эксперимент, показавший, что свет частично захватывается движущейся средой.

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

А. Майкельсона построил в 1880г. лабораторный крестообразный интерферометр с длиной оптического пути в 1,2м и, к его удивлению, не получил ожидаемого смещения. Смещение было хаотическим и весьма малым. Прибор обнаружил высокую чувствительность ко всякого рола вибрациям. Поэтому Майкель-сон с помощью профессора Морли в 1886г. построил второй интерферометр с длиной оптического пути в 11метров 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 скоросчи эфирного ветра на поверхности Земли не в 30км/с, а всего лишь в 3км/с, что никак не было объяснено.

Эксперименты были продолжены Морли и Миллером на Кливлендских высотах (высота над уровнем моря 250м) и в 1904— 1905гг. были получены устойчивые данные по величине эфирного ветра в 3—3,5км/с, что вновь не соответствовало ожидавшемуся значению в 30км/с. На этом работы были временно отложены и продолжены только в 1921году Миллером в обсерватории Маунт Вилсон на высоте около 1800м, где им вместе с помощниками к 1925г. была проведена громадная работа и не только получены устойчивые данные по скорости эфирного ветра, равной на этой высоте порядка 10км/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 1905г. 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 просграиство».

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=dx² + dy + dz² – c²dt² = const.

Максимальная скорость передачи взаимодействий.

До начала XXвека 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 неправильньтм.

Если допустить мгновенное распространение сигналов, то утверждение, что события в двух пространственно разделенных точках произошл" одновременно, будет иметь абсолютный смысл. Можно поместить в точки АиВчасы и синхронизировать их с помощью мгновенных сигналов Если такой сигнал отправлен из А, например, в О ч 45мин и он в этот же момент времени по часамВпришел в точкуВ,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

Два любых события в точках АиВ,одновременные^ системе Ki,неодновременны в системеК,ноУсйлупринципа относительности системыKiиКсовершенно равноправны. Ни одной из этих систем нельзя отдать предпочтение. Поэтому мы вынуждены прийти к заключению, чтоодновременность 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. -д

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 кгравитационному 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 сосуцествования физических тел.Первая законченная теория пространства —геометрия Евклида. Она была создана примерно 2000лет 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 XIXв., 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 000км/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, чтодля реального мира пространство и время имеет не абсолютный, а относительный характер

№20

Интерференция света заключается в том, что при взаимном наложении двух волн может происходить усиление или ослабление колебаний. Принцип интерференции был открыт в 1801г. 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 1818г. 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.

№18

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 отэлементарного электрического заряда е (е = 1,6 •10^-19Кл).Электрон (те =9,11 •10^–31кг) ипротонтр=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 1секунду.

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), имолионы —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 стоком или постоянные магниты.

№21 . 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^-8до 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,

№26