4 Образ природы в классическом естествознании 4 1

4. Образ природы в классическом естествознании. 4. 1. Корпускулярная концепция классической физике. 4. 2. Континуальная концепция в классической физике. 4. 3. Электромагнитные волны. 4. 4. СТО и концепция единого пространства-времени. 4. 5. Основные положения общей теории относительности. 4. 6. Свойства пространства-времени и законы сохранения. КСЕ

4. 1. Корпускулярная концепция в классической физике МОДЕЛЬ КОРПУСКУЛЫ: 1. Любой реальный объект может быть заменен моделью частицы. 2. Моделируемый объект обособляется от его окружения: а) влиянием окружения пренебрегают полностью – модель свободной частицы; б) воздействие окружения учитывают в виде результирующей силы – модель несвободной частицы. КСЕ

Ньютоновская механика «Математические начала натуральной философии» : 1687 г. Предмет изучения – тело, которое совершает движение в пространстве и времени. Пространство является трехмерным, существует само по себе, является «вместилищем» тел. Время выражает порядок смены физических состояний, оно течет всегда и везде одинаково. Пространство и время абсолютны, независимы друг от друга и не связаны с материей. КСЕ

Система отсчета - совокупность системы координат и синхронизированных часов. Основные понятия Две независимые характеристики частицы: скорость (или импульс) и координаты (или радиусвектор) полностью описывают состояние частицы. КСЕ

Законы механики Ньютона 1 закон (закон инерции) Всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, пока внешние воздействия не изменят этого состояния. 1 закон устанавливает: • неизменность импульса в модели свободной частицы • факт существования инерциальных систем. Инерциальной называется система отсчета, в которой справедлив закон инерции. Принцип относительности Галилея: во всех инерциальных системах отсчета все механические явления протекают одинаково. КСЕ

2 закон Изменение импульса тела пропорционально приложенной движущей силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует. 2 закон устанавливает: Изменение импульса в модели несвободной частицы. Из 2 закона следует основное уравнение динамики: КСЕ

3 закон Взаимодействия двух тел друг на друга равны между собой и направлены в противоположные стороны (сила действия по величине равна силе противодействия). 3 закон осуществляет: Переход к динамике системы точек (твердому телу). КСЕ

Механистическая картина МИРа 1. Утверждается принцип дальнодействия: взаимодействие между телами происходит мгновенно через пустое пространство. 2. Закономерности, по которым однозначно вычисляются будущие состояния системы, названы закономерности динамического типа. 3. Формируется представление о жесткой предопределенности (детерминированности) событий в природе. Впервые сформулировано Лапласом, французский физик и математик 1749 -1827 г. - лапласовский детерминизм. Полное отрицание роли случайности в природе! КСЕ

4. 1. Континуальная концепция в классической физике Начало концепции поля: Рене Декарт, французский ученый (1596 -1650 г. ): взаимодействие материи через эфир – тончайшую жидкость безграничной протяженности. Христиан Гюйгенс, голландский ученый (1629 – 1695 г. ) – светоносный эфир. Бенджамин Франклин, американский ученый (1706 – 1790 г. ) – электрический эфир. Франц Эпинус, российский физик (1724 – 1802 г. ) – магнитная жидкость. КСЕ

Основоположник понятия поля – Майкл Фарадей. М. Фарадей: «электрическое взаимодействие тел происходит на расстоянии посредством силовых линий, которые соединяют тела друг с другом» . Полем называется совокупность значений физической величины, характеризующей сплошную среду в каждой ее точке. Утверждается принцип близкодействия: взаимодействие между телами осуществляется с конечной скоростью посредством различных полей, непрерывно распределенных в пространстве. КСЕ

Классификация полей Скалярные поля Векторные поля • Температур Т = Т(x, y, z, ) • Скоростей • Электрическое поле • Давлений Р = Р(x, y, z, ) • Концентраций n=n(x, y, z) • Магнитное поле • Распределение доходов, ресурсов, народонаселения… • Гравитационное поле Графически - силовые линии, линии тока, изотермы, изобары, эквипотенциальные поверхности и т. д. Динамический характер зависимостей сохраняется. КСЕ

Поле температур на поверхности трубы Электростатическое поле точечного заряда КСЕ

Классическая электродинамика Электрическое поле создается электрическими зарядами. Основная характеристика – вектор напряженности электрического поля. Направление этого вектора совпадает с направлением электростатической силы, действующей на положительный заряд. Магнитное поле создается движущимися зарядами и токами. Основная характеристика – вектор магнитной индукции. Направление этого вектора совпадает с магнитной стрелкой от ее южного полюса к северному. КСЕ

Электромагнитная индукция Магнитный поток ЭДС электромагнитной индукции Закон Фарадея: любое изменение магнитного потока через проводящий контур приводит к возникновению электродвижущей силы в контуре и по контуру идет ток. КСЕ

4. 3. Электромагнитные волны. Теория Максвелла • Всякое переменное магнитное поле возбуждает в окружающем пространстве переменное электрическое поле. • Всякое изменение электрического поля вызывает в окружающем пространстве появление переменного магнитного поля. 7 уравнений теории Максвелла. Основной вывод: возможность автономного существования электромагнитного поля, как особого вида материи. КСЕ

Электромагнитная волна - переменное электромагнитное поле, распространяющееся в пространстве с конечной скоростью. КСЕ

Шкала электромагнитных волн КСЕ

Голография КСЕ

4. 4. СТО и концепция единого пространства-времени В классической физике природа предстала в виде двух картин мира: механистической и электромагнитной. Между ними возникли противоречия. В 1) 2) 3) классической механике пространство и время: абсолютны, независимы друг от друга, не связаны с материей. Принцип относительности Галилея: во всех инерциальных системах отсчета все механические явления протекают одинаково. КСЕ

Преобразование координат по принципу относительности Галилея Две инерциальные системы: ХОY и Х 0 OY 0. Закон сложения скоростей противоречит электродинамике Максвелла. КСЕ

Ньютоновская механика Релятивистская механика (СТО) 1. Принцип относительности Галилея «Во всех инерциальных системах отсчета все механические явления протекают одинаково» 1. Принцип относительности Эйнштейна «Во всех инерциальных системах отсчета все физические явления протекают одинаково» 2. Принцип инвариантности времени «Во всех инерциальных системах ход времени одинаков» 2. Принцип инвариантности скорости света «Во всех инерциальных системах отсчета скорость света в вакууме одинакова» КСЕ

Закон сложения скоростей в СТО: Вывод: Ньютоновская механика является частным случаем СТО и вполне применима для движений со скоростями, много меньше скорости света в вакууме. Релятивистская динамика Согласно СТО, каждое тело обладает энергией покоя (собственной энергией) Е 0 = mc 2. Закон взаимосвязи энергии и массы: энергия и масса являются двумя однозначно связанными характеристиками материи: Е = mc 2. КСЕ

4. 5. Общая теория относительности 1. Расширенный принцип относительности: во всех и инерциальных и неинерциальных системах отсчета все физические явления протекают одинаково. 2. Принцип инвариантности скорости света: во всех системах отсчета скорость света в вакууме одинакова. 3. Принцип эквивалентности инертной и гравитационной масс: кинематические эффекты, возникающие под действием гравитационных сил, эквивалентны эффектам, возникающим под действием ускорения. КСЕ

Свойства пространства-времени зависят от поля тяготения. В поле тяготения пространство обладает кривизной. КСЕ

4. 2. Свойства пространства-времени и законы сохранения 1. Пространство и время объективны и реальны. 2. Пространство и время являются универсальными, всеобщими формами существования материи. 3. Пространство обратимо (в каждую точку пространства можно снова и снова возвращаться) и трехмерно. 4. Время необратимо и одномерно. 5. Пространство и время обладают симметрией. Платон: «Быть прекрасным, значит быть симметричным и соразмерным» . КСЕ

Симметрия – инвариантность структуры, свойств, формы материального объекта относительно его преобразований (сдвигов, вращений, и т. д. ). КСЕ

Из симметрии относительно сдвигов следует свойство, называемое однородностью. Из симметрии относительно поворота следует свойство, называемое изотропностью. ПРОСТРАНСТВО обладает: • однородностью - отсутствие в нем каких-либо особых точек, • изотропностью - равноправность всех возможных направлений. ВРЕМЯ обладает только однородностью - равноправие всех его моментов. КСЕ

Законы сохранения и симметрия Симметрия и законы сохранения являются взаимосвязанными проявлениями фундаментальных свойств материи. Теорема Эмми Нетёр, немецкий математик (1882 -1935 г. ): Каждой симметрии физической системы соответствует закон сохранения. Однородности пространства и времени соответствуют законы сохранения импульса и энергии, а изотропности пространства – закон сохранения момента импульса. Законы сохранения выполняются в изолированной (или замкнутой) системе - на тела которой не действуют внешние силы или они скомпенсированы. КСЕ

Симметрия обладает признаком всеобщности, поэтому связанные с ней законы сохранения фундаментальны. 1. Закон сохранения импульса Из однородности пространства следует возможность параллельного переноса системы тел в пространстве, т. е. возможность произвольного выбора начала координат. Закон сохранения импульса: импульс изолированной системы тел сохраняется КСЕ

2. Закон сохранения энергии Из однородности времени следует возможность произвольного выбора начала отсчета времени. Закон сохранения энергии: полная энергия изолированной системы тел сохраняется. Энергия (механическая, тепловая, электрическая…) – общая мера различных форм движения. Может переходить из одного вида в другой. КСЕ

3. Закон сохранения момента импульса Момент импульса Модуль момента импульса КСЕ

Из изотропности пространства следует возможность поворота системы координат на произвольный угол, т. е. возможность произвольного выбора направления осей координат системы. Закон сохранения момента импульса: момент импульса изолированной системы тел сохраняется Три фундаментальных закона сохранения в природе не нарушаются! КСЕ