Ксе (лекция) (Акимов Михаил Львович)

Учебники:

1. С.К. Карпенков ксе (учебник)

2. С.Х. Карпенков ксе (практикум)

Лекция 1

Тема 1:Естествознание и окр. Мир

Естествознание – совокупность наук о природе

Объект исследования: природа

Тенденции развития естествознания

Эта тенденция стала проявляться в 20 веке и получила названия экспаненсальный рост науки

Экспаненсальный рост науки – каждые 15 лет объём научной продукции увеличивается в е раз (2,7)

Пример:

Число научных сотрудников в России:

1913 г. – примерно 12 тыс научных сотрудников

1976 г. – примерно 1,2 млн. научных сотрудников

21 век в мире – примерно 5-6 млн. научных сотрудников

N

N0

t (время)

1900 г. 21 в.

Наука – си-ма сознания и Д. людей, напр. на достижение объективно истинных знаний и систематизации доступной человеку и об-ву информации

Существуют фундаментальные и прикладные науки:

Фундаментальные науки – занимаются установлением универсальных закономерностей в природы

Прикладные науки – это наука, направленная на получение конкретного научного результата, который актуально или потенциально может использоваться для удовлетворения частных или общественных потребностей

В науке существуют фундаментальные и прикладные проблемы:

Проблемы, возникающие внутри самой науки – фундаментальные проблемы (например: когда открываются новые объекты, а существующие теории не могут быть к ним применены)

Проблемы, кот. ставятся перед учёными извне, наз. прикладными

Цели естествознания: описать, систематизировать и объяснить совокупность природных явлений и процессов

Естественно научное познание, процесс постижения истинны

Истина – правильное, адекватное отражение предметов и явлений действительности, познающим субъектом и воспроизведение их так, как они существуют вне зависимости от сознания

Критерий истинны: Естественно научная истинна, проверяется только практикой, наблюдениями, опытами, экспериментами, произв. Д.

Если научная теория подтверждена практикой, то она истинна

Учёный исследует природу и создаёт теорию

Учёный → Теория → Природа

↓ ↓

Субъект Объект

Задача учёного установить границы соотв. знания действительности, т.е. указать интервал адекватности (область применимости теории)

Естественнонаучные знания относительны, т.к. подтверждаются экспериментом, осн. на измерениях, а абсолютно точных измерений не бывает, поэтому задача учёного указать интервал неточности

Тема 2: Естественнонаучное познание окр. Мира

Метод

Метод – совокупность действий призванных помочь достижению желаемого результата

Рене Декарт (1596-1650 гг.) публикует свою работу «Значение метода в познании», где сформулировал значение метода в познании и свой метод познания

Метод познания по Декарту:

1. Ничего не принимать за истинное, что не представляется ясным и отчётливым

2. Трудные вопросы делить на столько частей, сколько нужно для их разрешения. Начинать исследование самых простых и удобных для познания вещей и восходить постепенно в познании трудных и сложных.

3. Останавливаться на всех подробностях, на всё обращать внимание, чтобы быть уверенным, что ничего не пропущено

Принципы познания:

Принцип причинности – каждое событие (явление) в мире имеет свою причину и приводит к опр. последствиям

Причина–объект–следствие

Методы и приёмы естественнонаучных исследований

Формы естественнонаучного познания:

1. Чувственные формы познания

• Ощущение

• Восприятие

• Представление

2. Теоретическая форма познания

3. Эмпирическая форма познания

• Наблюдение

• Опыты

Методы познания

Эмпирическое и теоретическое познания – это единый процесс, характерный для любого естественно научного исследования на любой его стадии.

В целом естественно научный метод познания окр. мира можно характеризовать следующими осн. признаками:

1. Сбор, систематизация и анализ фактов о природных явлениях

2. Создание теорий. осн. на опр. принципах, кот. охватывают и объясняют достаточно большую группу фактов

3. Исп. в теориях методов логики и математики

4. проверка выводов теорий наблюдениями, измерениями, экспериментами, производственной практикой, т.е. опытом людей

5. Стремление к повышению точности измерений и смысла употребляемых понятий

Все научные методы делятся на 2 типа:

1. Эмпирические методы

• Наблюдение

• Описание

• Измерение

• Эксперимент

2. Теоретические методы

• Формализация – построение абстрактно-математических моделей, раскрывающих сущность, изучаемых процессов действительности

• Аксиоматизация (от слова аксиома) – построение теорий на осн. аксиом, утверждений, доказательства истинности которых не требуется

• Депотетико-дедуктивный метод – создание сис-мы дедуктивно связанных между собой гипотез, из кот. выводится утверждение об эмпирических фактах

Глава №2: Фундаментальные законы и концепции естествознания

Параграф 2.1 Физико-фундаментальная отрасль естествознания

Времена Древней Греции (6-5 вв. до н.э.)

В данное время существовало напр. натурфилософия (философия природы) – представлявшее собой умозрительное истолкование природы, её ценности

Представители:

Анаксимандр, Гераклит, Анаксимен, Диоген, Фалес

Наиболее яркий представитель Аристотель (381-322 гг. до н.э.)

У Аристотеля есть трактат «Фюзис» (Природа), от кот. произошло слово физика

Физика – наука о природе, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие св-ва материального мира, конечно физика изучает и очень сложные явл. и объекты, но при изучении сложное сводится к простому, конкретное к общему. В современном представлении самое простое – молекулы, атомы, элементарные частицы, поля и тому подобное, а наиболее общими св-вами материи принято считать движение, пространство и время, массу, энергию и др.

При этом, осн. задача физики состоит в установлении универсальных законов природы

Параграф 2.2: Основные этапы развития физики

1. Древний и средневековый (от времени Аристотеля до нач. 17 века)

• Возникает физика как наука

• Возникает раздел физики механика

• Аристотель (а позже Птолемей) создают геоцентрическая сис-ма мира (в центре мира Земля, а вокруг вращаются планеты, солнце и звёзды)

• Где-то в 1-14 вв. ставится под сомнение геоцентрическая сис-ма мира)

• 15 век – Коперник предлагает гелиоцентрическую сис-му мира (центр – солнце. а вокруг вращаются планеты)

• Позже Кеплер установил, что планеты вращаются по эллипсу

2. Классический (с 17 века до кон. 19 века)

• 17 век:

• Галилей и Ньютон создают классическую механику, кот. описывает движение тел и осн. на математике и логике (причём знание подвергается экспериментальной проверке

• Ньютон сформулировал закон всемирного тяготения (есть тело m1 и m2, расстояние R, сила F прямо пропорциональна произведению масс этих тел и обратно пропорциональна

m_{1 *} m₂

F = G ----------------

R²

• 18 век характеризуется созданием классической термодинамики

• Закон о теплоте

• Развивается теория о тепловых машинах

• Вводится понятие КПД

• Закон сохранение для тепловых сис-м

• 19 век характеризует классическая электродинамика

• Вводится понятие поля как вида материи, посредством кот. передаются взаимодействия между телами (Фарадей)

• Разработана электро-магнитную концепцию, вводится ур-е кот. связывает хар-ки электр. и магнитных полей с электр. зарядами и токами (Максвелл)

• В 1888 г. Герц экспериментально открывает электро-магнитные волны, тем самым подтверждает правильность электро-магнитной концепции Максвелла

• В 1897 г. Томсон открывает электрон – частицу входящую в атом

• Позже открыты протоны и нейтроны

3. Современный (с 20 века

• Альбер Эйнштейн в 1905 г. создаёт специальную теорию относительности (СТО) – новый взгляд на пространство и время, отличный от взглядов классической физики. По Эйнштейну пространство и время относительны, т.е. существует пространсвенно-временной интервал СТО

x,y,z,t.

И получается что у тела есть скорость, которая приближается к скорости света (C= 300000 км/с) и возникают релятивистский эффект.Т.о. Эйнштейн вводит 2 массы: m0 – масса покоя и m(V) – релятивистская масса

m0

m(V) = ------------

1. (V)²

C

• В 1916 году Эйнштейн создаёт общую теорию относительности (теория гравитации), согласно ей тело обладает массой => оно создаёт гравитация, причём чем больше масса, тем больше гравитация. Рядом с этим телом наблюдается искривлённое пространство

• Эйнштейном было предсказано что в космосе существуют чёрные дыры

Параграф 2.3.: Концепции материи пространства и времени

Материя – это всё то, что прямо или косвенно действует на органы чувств человека и др. объекты

Движение – это любые изменения, происходящие с материальными объектами. Движение – св-во материи

Виды материи:

1. Вещество – это частицы или тела, обладающие массой, др.сл. всё, что имеет массу – это вещество. У вещества есть 3 агрегатных состояния6

• твёрдое

• жидкое

• Газообразное

Переход из твёрдого состояния жидкое состояние – плавление

Переход из жидкости в газ - испарение

Переход из газа в жидкость – конденсация

Переход из жидкого сост. в твёрдое наз. кристаллизацией

Переход из твёрдого состояния в газ (необходим вакуум и воздействия излучения) – сублимация (возгонка_

2. Физические поля (появл. в 19 веке) – посредством физических полей осуществляется взаимодействие между телами

3. Физический вакуум (появл. в 20 веке) – рассм. как особый вид материи, когда отсутствуют реальные частицы, но постоянно рождаются и быстро исчезают виртуальные частицы, кот. могут взаимодействовать при опр. условиях с реальными частицами

Пространство и время

Пространство и время явл. формами существования и движения материи

Время – выражает порядок смены физических состояний любых материальных объектов и в этом смысле оно универсально объективно существуя пока существуют какие-либо изменения в природе

Пространство – выражает порядок сосуществования физических тел

Период	Время	Пространство
17 век - Ньютон	Время абсолютно и вечно	Пространство трёхмерно
20 век Эйнштейн	Время относительно	Пространство относительно. Существует пространственно-временной интервал (x,y,z,t)

Эйнштейн создал 2 теории:

1905 – СТО

1916 – ОТО

Особенности

1. Замедление времени

2. Сокращение длинны

3. Искривление пространства

4. Зависимость массы тела от его скорости

Параграф 4.2.6 Фундаментальные взаимодействия

Все взаимодействия в природе можно свести к 4 фундаментальным взаимодействиям:

1. Гравитационное – проявляется во взаимном притяжении любых материальных объектов, имеющих массу.

• Оно присуще любому веществу

• По интенсивности взаимодействия гравитационное взаимодействие самое слабое из 4

• Действует как на малых, так и на больших расстояниях

• Существует закон всемирного тяготения сформулировал Ньютон, по которому

m_{1 *} m₂

F = G ----------------

R²

G = 6,67 * 10^-11 Н*м²/кг²

F = 6,67*10^-11 Н

2. Электромагнитное взаимодействие – обусловлено существованием в природе электрических зарядов и при их отсутствии не проявляется. Благодаря этому взаимодействуют атомы и молекулы, происходят химические превращения вещ-в, возникают силы трения и упругости и т.д. Действует как на малых, так и на больших расстояниях. По закону Кулона (17 век):

q1*q2 (заряды)

F = ---------------------

R²

Существую т положительные и отрицательные заряды одноимённые заряды отталкиваются, а разноимённые притягиваются

3. Сильное взаимодействие – обеспечивает существование Нуклонов (общее название протонов и нейтронов, кот. входят в состав ядра атома) и атомных ядер и заметно проявл. на расстояниях не более 10^-15 метра

4. Слабое взаимодействие – проявл. в нашем мире главным образом в процессах бета распада нестабильных атомных ядер многих изотопов. Благодаря этому взаимодействию возможны термоядерные реакции и формирование атомных ядер в недрах звёзд

Характеристики фундаментальных взаимодействий

Вид взаимодействия	Относительная энергия взаимодействия	Радиус действия	Переносчики взаимодействия
Сильное	1 (самая большая относительная энергия)	На малых расстояниях (10-15м)	Глюон
Электромагнитное	10-2	Любое расстояние	Фотоны (свет)
Слабое	10-5	На ещё более малых чем сильное (10-18м)	Вионы
Гравитационное	10-39	Любое расстояние	Гравитоны

Параграф 2.5.: Структурная организация материи. Концепция атомизма

Можно разделить на 3 мира:

1. Микромир – мир микрообъектов к кот. относятся простые молекулы, атомы, элементарные частицы. Законы микромира описывает квантовая теория.

Структура:

Элементарные частицы → ядра атомов (протоны + нейтроны) → если добавим электроны, то получим атом → молекулы → макромолекулы → все остальные тела

2. Макромир – мир макрообъектов или макросистем, каждая из кот. сост. из огромного числа атомов и молекул. Законы макромира описывает классическая механика.

Структура:

3. Мегамир – мир объектов космоса, кот. сост. из планет, звёзд, галактик. Законы мегамира описывает теория относительности.

Концепция атомизма

Появл. в древней Греции в 4-5 вв. до н.э.

Создатели: Левкип и Демокрит

Согласно ей вещ-во сост. из мельчайших, неделимых вещ-в – атомов

Альтернативной концепций создал Аристотель – концепция непрерывности вещ-ва. По которой: вещ-во можно делить на более мелкие части сколько угодно, т.е. нет предела делимости вещ-ва.

Основные концепции классической механики

Основоположники: Галилей (1564 – 1642) и Ньютон (1643 – 1727 гг.)

Основные законы и понятия классической механики были в труде Ньютона «Математические начала натуральной философии» в 1687 г.

Основные понятия:

Масса тела (в кг.) – физическая величина, одна из осн. характеристик материи, опр. её инерциальные и гравитационные св-ва

Скорость – это путь в 1 времени (измеряется в м/с)

S

V = -----

t

Ускорение (а) – быстрота изменения скорости

∆ V

a = -----

∆ t

Импульс – произведение массы на скорость : p = mV

Сила – векторная величина, мера механического воздействия на тело со стороны др. тел или полей в результате кот. тело приобретает ускорение или измеряет форму и размеры

F = m*a 1 кг. * 1 м/с²

Энергия – универсальная мера различных форм движения и взаимодействия (измеряется в Джоулях (Дж.)). Энергия бывает:

• Кинетическая энергия – энергия движения

mV²

E_к = -----------

2

• Потенциальная энергия – энергия взаимодействия

E_п = mgh

Работа – произведение силы на произведение (измеряется в Джошулях –Дж)

A = F*S

Мощность – работа в единицу времени (измеряется в ватах – Вт)

A

N = ---------

t

Основной вывод:

Закон сохранения энергии – энергия никогда не исчезает и не появляется вновь ниоткуда, она лишь превращается из одного вида в др.

Детерминизм – предопределённость (можно рассчитать с помощью опр. закона)

Принцип причинности – это утверждение о том, что каждое событие или явление в мире имеет свою причину и приводит к опр. последствиям

F = m*a – ур-е движения

Статистические и термодинамические св-ва макросистемы

Число Авогадро: N_A = 6, 02 * 10²³ (показывает сколько атомов или молекул содержится в одном моле)

Моль показывает сколько атомов содержится в углероде-12, массой 0, 012 кг.

В макросистеме содержится примерно 10²³ молекул

Если в макросистеме изменять температуру, то произойдёт тепловое явление.

Первые успехи на пути построения научной теории теплоты относятся к началу 17 в., когда был изобретён термометр и появилась возможность количественного исследования тепловых процессов и св-в макросистемы

Концепции теплоты:

1. Вещественная теория теплоты – теплота просматривалась как особого рода невесомая жидкость «способная перетекать» от одного тела к др. телу, эта жидкость была названа теплородом. В дальнейшем от этой теории отказались

2. Корпускулярная теория теплоты

Данной теории придерживался Ньютон, но основы заложил Ломоносов, он рассматривал теплоту, как вращательное движение частиц вещества

Виды движения частиц:

• Поступательное

• Вращательное

• Колеблющееся

Методы:

1. Термодинамический метод (описание макросистем) – метод исследования тепловых явлений и св-в макросистем, в осн. кот. лежит термодинамика, науку о тепловых явлениях, в кот. не учитывается молекулярное строение тела. Измерение показателей макропараметров (T, P, V) в некоторой, замкнутой макросистеме

T, P, V

макросистема

● ● ●

● ● ●

● ●

2. Статистические (молекулярно-кинетический) метод – в его осн. лежит молекулярная физика (наука изучающая процессы, явл. результатом совокупного действия огромного числа молекул)

Законы термодинамики:

1. Начало термодинамики

∆Q = ∆U + ∆A

∆Q – кол-во теплоты

∆ - изменение

∆U – изменение внутренней энергии макросистемы

∆A – совершение работы (самой сис-мы или над сис-мой)

Способы изменения внутренней энергии:

• Сообщить ей некое кол-во энергии

• Совершить работу над сис-мой, кот. перейдёт в тепло

Энтропия – ввёл Клаузиус в 1865 г., для определения меры необратимого рассеивания энергии, др. сл. энтропия – мера беспорядка (хаоса)

2. Электромагнитная концепция

Майкл Фарадей в 30-е годы 19 века вводит понятие «поле»

Концепции осуществления взаимодействия:

• Концепция дальнодействия

Представитель:

Считали: Декарт

• Взаимодействие между телами осуществляется мгновенно

• Взаимодействие передаётся мгновенно, без переносчиков или перетчиклв

• Концепция близкодействия

Представитель: Ньютон

Считал:

• Есть переносчик взаимодействия – физические поля

• Передаётся за конечное время

Оказалось что концепция дальнодействия неверна.

Альберт Эйнштейн создал 2 теории:

1. СТО

2. ОТО

Скорость света: С примерно равно 300 000 км/с = 3*10⁸ м/с

V ≤ C

Максвелл в 60-х гг. 19 века развивает теорию фарадея об электрическом поле и создаёт теорию электромагнитного поля, кот. наз электромагнитная концепция Максвелла. Максвелл записал ур-е (позже оно было названо ур-ем Максвелла), кот. связывало хар-ки электрических и магнитных полшей с элект зарядами и электр. токами.

Максвелл установил, что существует только 2 источника, кот. порождают элект. поле:

1. Элект. заряд

2. Переменное магнитное поле

Магнитное поле также порождают 2 источника:

1. Переменное электр. поле

2. Электр. ток

В итоге было установлено, что в природе существуют электр. заряды, но нет магнитных зарядов