
- •ПРЕДИСЛОВИЕ
- •ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О НАУКЕ И ЕЁ МЕТОДОЛОГИИ
- •1.1. Наука как рациональная сфера человеческой деятельности
- •1.2. Классификация наук
- •1.3. Естествознание. Методы естественнонаучного познания мира
- •1.4. Естественнонаучная и гуманитарная культуры
- •Литература к главе 1
- •2.1. Современные представления об иерархических уровнях организации материи. Микро-, макро- и мегамиры
- •2.2. Этапы развития атомистической концепции
- •2.3. Фундаментальные взаимодействия в природе
- •Литература к главе 2
- •КОНЦЕПЦИИ ПРОСТРАНСТВА И ВРЕМЕНИ
- •3.1. Основные этапы развития представлений о пространстве и времени.
- •3.2. Основы классической механики и их связь со свойствами пространства и времени
- •3.3. Пространство и время в специальной и общей теории относительности
- •Литература к главе 3
- •СИММЕТРИЯ И ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ
- •4.2. Закон сохранения импульса
- •4.3. Закон сохранения энергии
- •4.3.1. Работа и кинетическая энергия
- •4.3.2. Потенциальная энергия
- •4.3.3. Полная механическая энергия
- •Литература к главе 4
- •5.1. Уравнение состояния. Нулевое начало термодинамики
- •5.2. Первое начало термодинамики
- •5.3. Второе начало термодинамики. Энтропия и её статистический смысл
- •Макросостояние
- •5.4. Третье начало термодинамики
- •5.5. Гипотеза «тепловой смерти» Вселенной
- •5.6. Термодинамика открытых систем
- •Литература к главе 5
- •КОНЦЕПЦИЯ ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМА
- •6.2. Электрический ток. Закон Ома
- •6.3. Магнитное поле движущихся зарядов
- •6.4. Электромагнитная теория Максвелла
- •6.5. Электромагнитные волны
- •6.6. Волновая оптика
- •6.7. Интерференция света
- •6.8. Дифракция света
- •Литература к главе 6
- •КВАНТОВЫЕ СВОЙСТВА МАТЕРИИ
- •7.1. Корпускулярно-волновой дуализм света и микрочастиц
- •7.2. Принцип неопределённости Гейзенберга и принцип дополнительности Бора
- •7.3. Вероятностно-статистический характер поведения микрочастиц
- •7.4. Релятивистская квантовая физика. Физический вакуум
- •7.5. Атомы, молекулы и вещество с точки зрения квантовой теории
- •7.6. Типы химических связей
- •Литература к главе 7
- •АСТРОНОМИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА
- •8.1. Общие представления о Вселенной и её происхождении
- •8.1.1. Модели нестационарной Вселенной
- •8.1.2. Модель горячей Вселенной
- •8.1.3. Модель раздувающейся Вселенной
- •8.2. Звёзды и галактики
- •8.3. Солнечная система. Происхождение и строение Земли
- •Литература к главе 8
- •БИОЛОГИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА
- •9.1. Гипотезы происхождения жизни
- •9.2. Основные принципы эволюции жизни
- •9.3. Появление человека на Земле и его эволюция
- •9.4. Биологическая клетка как элементарная единица живого
- •9.4.1. Строение клетки
- •9.4.2. Жизненный цикл клетки
- •9.4.4. Использование генетической информации в процессах жизнедеятельности. Синтез белка
- •9.5. Виды живых систем. Свойства жизни
- •9.6. Основные уровни организации живого
- •Клеточный уровень.
- •Онтогенетический уровень.
- •Популяционно-видовой уровень.
- •Биогеоценотический уровень.
- •Литература к главе 9
- •КОНЦЕПЦИИ БИОСФЕРЫ И НООСФЕРЫ ЗЕМЛИ
- •10.1. Современные представления о биосфере Земли
- •10.2. Учение Вернадского о ноосфере
- •10.3. Общие представления о пневмасфере
- •10.4. Космические и биологические циклы
- •Литература к главе 10
- •КОНЦЕПЦИЯ САМООРГАНИЗАЦИИ
- •1.1. Самоорганизующиеся системы и их свойства
- •11.3. Самоорганизация в химических реакциях
- •11.4. Самоорганизация в живой природе и в человеческом обществе
- •Литература к главе 11
- •КОНЦЕПЦИЯ УСТОЙЧИВОГО РАЗВИТИЯ
- •12.1. Принципы устойчивого развития
- •12.2. Основные черты планетарного мышления
- •12.3. Универсальный эволюционизм
- •12.4. Путь к единой культуре
- •Литература к главе 12
- •СЛОВАРЬ ОСНОВНЫХ ТЕРМИНОВ
- •Абиотические факторы
- •Автотрофы
- •Адаптация
- •Аденин
- •Адроны
- •Аминокислоты
- •Аннигиляция
- •Античастицы
- •Антропоцентризм
- •Бактерии
- •Бактериофаг
- •Барионы
- •Белок
- •Биогеоценоз
- •Биосфера
- •Биосфероцентризм
- •Биоценоз
- •Бифуркация
- •Близкодействие
- •Вакуум физический
- •Вероятность
- •Вещество
- •Взаимодействие
- •Взрыв
- •Виртуальные частицы
- •Вирусы
- •Витализм
- •Внутренняя энергия
- •Галактика
- •Генетика
- •Генетический код
- •Геном
- •Генотип
- •Генофонд
- •Гетеротрофы
- •Гипотеза
- •Глюоны
- •Гравитационный коллапс
- •Гуанин
- •Дальнодействие
- •Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК)
- •Диалектика
- •Динамическая система
- •Диссипативная структура
- •Диссипация
- •Доминанта
- •Душа
- •Естественный отбор
- •Живое вещество
- •Закон
- •Знание
- •Идеализация
- •Иерархия
- •Инвариантность
- •Интерпретация
- •Интуиция
- •Иррационализм
- •Истина
- •Информация
- •Катастрофа
- •Квазар
- •Квант
- •Кварки
- •Кибернетика
- •Клетка
- •Кодон
- •Конфайнмент
- •Концепция
- •Коэволюция
- •Ламаркизм
- •Лептоны
- •Лизосомы
- •Липиды
- •Литосфера
- •Личность
- •Мезоны
- •Менталитет
- •Метод
- •Методология
- •Микробы
- •Митоз
- •Мутация
- •Наследственность
- •Наука
- •Негэнтропия
- •Нейтрино
- •Нейтрон
- •Нейтронная звезда
- •Ноосфера
- •Нуклеиновые кислоты
- •Нуклеотид
- •Нуклоны
- •Онтогенез
- •Органеллы
- •Открытые системы
- •Парадигма
- •Параллакс
- •Парсек
- •Пневмасфера
- •Популяция
- •Прокариоты
- •Пульсары
- •Разум
- •Рационализм
- •Редупликация (репликация)
- •Реликтовое излучение
- •Рибонуклеиновая кислота (РНК)
- •Рибосомы
- •Самоорганизация
- •Симбиоз
- •Синергетика
- •Социум
- •Техносфера
- •Тимин
- •Универсум
- •Устойчивое развитие
- •Устойчивость биосферы
- •Фауна
- •Фенотип
- •Ферменты
- •Флора
- •Флуктуация
- •Фотон
- •Хроматин
- •Хромосомы
- •Центромера
- •Цивилизация
- •Цитозин
- •Чёрная дыра
- •Эволюционизм
- •Эволюция
- •Экологическая система
- •Экология
- •Элементарные частицы
- •Энтропия
- •Эукариоты
- •ОГЛАВЛЕНИЕ
«Трактате по электричеству и магнетизму», уже не использовал механические модели.
Детальные исследования уравнений Максвелла показали, что с их помощью можно объяснить любые известные классические электромагнитные явления, вообще не прибегая к использованию эфира. Например, для распространения электромагнитных волн в пространстве в принципе не требуется никакой среды. Это связано с тем, что если в какой-либо области пространства возникло, например, переменное электрическое поле, то оно создаст в этой области переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, создаст переменное электрическое поле и т. д. Эти переменные и связанные между собой электрическое и магнитное поля как раз и образуют электромагнитную волну, распространяющуюся в пространстве со скоростью света.
6.5. Электромагнитные волны
В случае непроводящей среды ( j = 0 ) систему уравнений (6.11)–(6.14) можно решить относительно
векторов |
напряжённости электрического поля E |
и |
магнитного поля H . Анализ решений показывает, |
что |
|
векторы E и H являются функциями координат и времени. |
||
В случае, |
когда E и H зависят только от координаты x , |
они имеют вид:
E = Em cos(ωt − k x) , |
|
H = Hm cos(ωt − k x) , |
(6.15) |

где Em и H m – амплитуды напряжённостей
электрического и магнитного полей соответственно, причём модули этих векторов связаны между собой соотношением
εε0 Em = μμ0 H m ; |
ω = 2π /T – частота |
колебаний; T – |
период колебаний; |
k = 2π / λ – волновое |
число; λ – длина |
волны (рис. 6.5). |
|
|
а E |
T |
|
|
|
|
0 |
|
t |
|
|
б |
y |
v |
λ |
|
|
|
|
|
E |
|
|
H |
|
|
x |
|
|
|
|
z |
|
|
|
Рис. 6.5. Временная зависимость напряжённости электрического поля (а) и координатная зависимость векторов напряжённостей электрического и
Из (6.15) непосредственно следует, что имеет место распространение электромагнитной волны, так как
изменения векторов E и H происходит по закону
косинуса, аргумент которого зависит линейно от времени и координаты. Если зафиксировать координату и посмотреть
как изменяются E и H со временем, то можно убедиться, что эти изменения происходят по закону косинуса с периодом T (рис. 6.5 а). А если мгновенно сфотографировать в момент времени t распределение
векторов E и H вдоль координаты x , то можно будет убедиться, что эти векторы меняются по координате по закону косинуса с периодом равным длине волны λ
(рис. 6.5 б).
Электромагнитная волна является поперечной, так как
колебания векторов E и H происходят в направлениях перпендикулярных направлению распространения, причём эти векторы перпендикулярны друг другу и образуют с вектором скорости v распространения волны правую винтовую тройку.
В 1865 году Максвелл выдвинул идею об электромагнитной природе света. Он считал, что свет является одним из видов электромагнитного излучения, которому соответствуют определённый диапазон частот и длин волн. Дальнейшие исследования свойств света подтвердили эту идею Максвелла.
6.6. Волновая оптика
Волновая оптика – это раздел физики, изучающий совокупность явлений, в которых проявляется волновая природа света, а именно, когда свет рассматривается как электромагнитная волна. Вопрос о том, что такое свет интересовал человека издревле и, по мере накопления
экспериментальных данных о его свойствах, менялись и представления о нём. Рассмотрим эволюцию представлений
оприроде света.
1.Пифагор (~ 580–500 гг. до н. э.) считал, что предметы становятся видимыми благодаря мельчайшим частицам, испускаемым ими и попадающим в глаз наблюдателя.
2.Декарт (1596–1650) полагал, что свет – это сжатие, распространяющееся в идеальной упругой среде (эфире), заполняющей мировое пространство и промежутки между частицами тел.
3.Ньютон (~ 1670 г.) высказал предположение о том, что свет имеет корпускулярную природу.
4.Гюйгенс (~ 1678 г.) сделал попытку объяснить распространение, отражение и преломление света с волновой точки зрения.
5.В период 1807 – 1850 гг. благодаря работам Юнга, Френеля и др. по интерференции и дифракции света, а также опытам Физо и Фуко (1850 г.) по измерению скорости света в веществе (v<c), чаша весов склонилась в пользу волновой природы света.
6.Максвелл в 60-е годы XIX века пришёл к заключению, что свет – это электромагнитные волны.
7.Планк в 1900 году, изучая излучение абсолютно чёрного тела, выдвинул гипотезу о том, что свет излучается порциями – квантами, а объяснение фотоэффекта,
сделанное Эйнштейном в 1905 году, было основано на том, что свет не только излучается, но и распространяется, и поглощается также квантами. Частицы света, энергия которых квантована позднее были названы фотонами.
Следовательно, свет, с одной стороны, проявляет волновые свойства (интерференция и дифракция), а с другой – корпускулярные (излучение, фотоэффект и др.), т. е. существует корпускулярно-волновой дуализм природы света. Сначала приступим к изучению волновых свойств света.
Световая волна, как мы уже знаем, представляет собой электромагнитную волну. Длины волн видимого света заключены в пределах 0,40 – 0,76 мкм. Эти значения относятся к световым волнам в вакууме. В световой волне, как и в любой электромагнитной волне, колеблются два вектора – напряженности электрического и напряженности магнитного полей.
Как показывает опыт, физиологическое, фотоэлектрическое, фотохимическое и другие действия вызываются колебаниями электрического вектора. В соответствии с этим в дальнейшем будем рассматривать поведение только вектора напряжённости электрического поля. Если будет необходимо иметь информацию о векторе напряжённости магнитного поля, то её всегда можно получить, используя систему уравнений (6.15).
Несмотря на то, что световые волны поперечны, они обычно не обнаруживают асимметрии относительно луча (луч – линия вдоль которой распространяется световая энергия). Это обусловлено тем, что в естественном свете
(т. е. свете, испускаемом обычными тепловыми источниками) имеются колебания, совершающиеся в самых различных направлениях, перпендикулярных к лучу. Излучение светящегося тела слагается из волн, испускаемых его атомами. Процесс излучения отдельного атома продолжается около 10–8 с. За это время успевает образоваться последовательность горбов и впадин (или, как говорят, цуг волн) протяжённостью примерно 3 м (рис. 6.6 а). «Погаснув», атом через некоторое время «вспыхивает» вновь. Одновременно излучает много атомов. Излучённые ими цуги волн, налагаясь друг на друга, образуют испускаемую телом световую волну. Плоскость колебаний вектора напряжённости в каждом цуге ориентирована случайным образом. Поэтому в результирующей волне колебания различных направлений представлены с равной вероятностью (рис. 6.6 б). Это говорит о том, что в естественном свете колебания вектора напряжённости электрического поля не упорядочены, т. е. отсутствует поляризация волны.