ФИЗИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА ЧАСТЬ I КСЕ I курс

ФИЗИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА ЧАСТЬ I КСЕ I курс

ФИЗИКА Физика – наука, изучающая простейшие и наиболее общие закономерности природы, свойства и строение материи и законы ее движения. n Понятия и законы физики фундаментальны. n В основе своей физика -экспериментальная наука. n Фундаментальные понятия в физике – это материя, движение, физическое взаимодействие, пространство и время, причинно-следственные связи.

физика Механика – физика макромира (статика, кинематика, динамика) Статистическая механика - физика микромира(молекулярно-кинетическая теория), позже появились: атомная физика и физика элементарных частиц Термодинамика Ядерная физика Физика плазмы

Этапы развития физики Доклассический этап развития физики (от Аристотеля 4 в до н. э до конца 16 в) Классический(16 -19 вв. , Г. Галилей, И. Ньютон) Современный (развиты наряду с классическими концепциями и квантовые) (начало 20 в. по н. в. )

Материя, движение Окружающий нас мир или это все то, что прямо или косвенно действует на органы чувств и другие объекты Движение материи – любые изменения, происходящие с материальными объектами в результате их взаимодействия

материя Из материи образуется сложная иерархическая система материальных объектов различных масштабов и сложности В современном естествознании различают три вида материи: вещество, физическое поле и физический вакуум

вещество Основной вид материи, обладающий массой К ним относят элементарные частицы, атомы, молекулы, и образованные из них материальные объекты В химии разделяют вещества на простые (К) и сложные (химические соединения Н 2 О)

вещество Свойства веществ зависят от внешних условий и интенсивности взаимодействия атомов и молекул – это обуславливает различные агрегатные состояния веществ: Твердое Жидкое Газообразное Плазма (газ при очень высоких температурах)

Физическое поле Особый вид материи, обеспечивающий физическое взаимодействие материальных объектов и их систем. К ним относят: электромагнитное, гравитационное поля, поле ядерных сил, а также волновые(квантовые) поля (н-р, электронпозитронное поле) Источником полей являются частицы. Созданные частицами поля переносят с конечной скоростью взаимодействие между ними.

Физический вакуум Низшее энергетическое состояние квантового поля. Среднее число частиц – квантов поля – в вакууме равно нулю, но в нем рождаются виртуальные частицы (частицы в промежуточных состояниях, существующие короткое время). Они влияют на физические процессы.

Физический вакуум В физическом вакууме могут рождаться пары частица-античастица разных типов При большой концентрации энергии вакуум взаимодействует с реальными частицами (подтверждено экспериментом) Предполагается, что из физического вакуума, находящегося в возбужденном состоянии родилась Вселенная

Время Выражает порядок смены физических состояний и является объективной характеристикой любого процесса и явления Это то, что можно измерить с помощью специальных приборов

время Временная характеристика реальных процессов основывается на постулате времени: одинаковые во всех отношениях явления происходят за одинаковое время

время 300 лет назад И. Ньютон ввел понятие абсолютного(математического) времени которое течет всегда и везде равномерно Относительного времени как меры продолжительности, употребляемой в обыденной жизни и означающей определенный интервал времени: час, день, месяц и т. д.

время В современном представлении: время всегда относительно Необратимость времени (обусловлено сложным взаимодействием множества природных систем, в т. ч. атомов и молекул) обозначается стрелой времени, летящей из прошлого в будущее. Необратимость в термодинамике связывают с хаотичным движением молекул

пространство Выражает порядок сосуществования физических тел Оно трехмерно(высота, ширина, длина) И. Ньютон ввел абсолютное пространство – оно существует независимо от находящихся в нем физических объектов и может быть абсолютно пустым – мировая арена, где разыгрываются физические процессы

пространство Свойства пространства определяется геометрией Евклида Но пустое пространство идеально, а реальный окружающий нас мир заполнен различными объектами, поэтому оно относительно

Концепция атомизма. Дискретность и непрерывность материи В Древней Греции обсуждались две противоположные гипотезы строения тел: Аристотель(4 в. дон. э. )- вещество делится на более мелкие частицы и нет предела его делимости – непрерывность вещества Левкипп (5 в. дон. э. ) и развита Демокритом и Эпикуром – вещество состоит из мельчайших частиц неделимых вечных атомов. Природа – это атомы и пустота. Эта концепция дискретного квантового строения материи – концепция атомизма

Концепция атомизма В 19 в. для химических реакций ввели понятие молекула –наименьшая частица вещества, обладающая его основными химическими свойствами и состоящая из атомов, соединенных между собой химическими связями. Неделимость атома не вызывала сомнений. К началу 20 века Томпсон открыл электрон и предложил модель атома (булка с изюмом) и доказал что атом делим

Концепция атомизма Размеры атомов от 10 -10 до 10 -19 м, а масса 1027 до 10 -25 кг. Это сложная система, состоящая из ядер и электронов. Ядра состоят из протонов и нейтронов, т. е. имеют дискретное строение.

Дискретность и непрерывность материи Физическое поле и физический вакуум тоже имеют дискретную структуру Вещество воспринимается нами как непрерывная среда, но при объяснении тепловых явлений, электромагнитных излучений рассматривается как дискретная среда (атомы и молекулы) Непрерывность и дискретность неотъемлемые свойства материи.

Механическая картина мира

Механическая картина мира Механическая картина мира – 17 в. до 19 в. Важнейшие понятия: материальная точка, абсолютно твердое тело. Они характеризуются массой, весом. Эти понятия выражаются через физические величины: координаты, импульсы, энергию и силу. Атомизм. Материя – это вещество, состоящее из неделимых абсолютно твердых движущихся частиц – атомов. Они перемещались в пространстве в соответствии с законами механики. Это корпускулярное представление о материи.

Механическая картина мира Движение понималось как механическое перемещение тел в пространстве с течением времени. Все многообразие взаимодействий сводилось к гравитационному (наличие сил притяжения между любыми телами) Принцип дальнодействия между телами Ньютонавзаимодействие между телами происходит мгновенно на любом расстоянии без материальных посредников. Абсолютное пространство и абсолютное время независимо существующие от материи (И. Ньютона).

Электромагнитная картина мира

Электромагнитная картина мира Теория электромагнитного поля Максвелла. Мир – единая электродинамическая система, построена из электрически заряженных частиц, взаимодействующих посредством электромагнитного поля. Понятия новой теории заряд(+или-), напряженность поля – сила, которая действовала бы на тело, несущее единичный заряд. Когда электрические заряды движутся относительно друга появляется дополнительная магнитная сила. Общая сила называется электромагнитной.

Электромагнитная картина мира Материя стала представлять собой не частицы(атомы), а единое абсолютно непрерывное бесконечное поле (сплошная среда) с силовыми точечными центрами – электрическими зарядами и волновыми движениями в нем. Материя могла существовать в двух видах – поле и вещество. Они строго разделены и взаимное их превращение друг в друга невозможно. Главным из них является поле. И значит основное свойство материи непрерывность. Электромагнитное поле распространяется в виде поперечных электромагнитных волн со скоростью света, захватывая новые области пространства.

Электромагнитная картина мира Движение стало пониматься не как простое механическое перемещение , но и как распространение колебаний в поле. Законы механики уступили законам электродинамики Максвелла. Появился Фарадеевский принцип близкодействия – любые взаимодействия передаются полем от точки к точке непрерывно и с конечной скоростью.

Электромагнитная картина мира Абсолютное пустое пространство заполнено мировым неподвижным эфиром. Потом отказались от идеи эфира. К началу 20 в. появилась относительная концепция пространства и времени – материя, пространство и время существуют только вместе, полностью зависят друг от друга.

Квантово-полевая картина мира

Квантовая механика (начало 20 в. ) – теория, устанавливающая способ описания и законы движения микрочастиц (элементарных частиц, атомов, молекул, атомных ядер) и их систем. Законы квантовой механики составляют фундамент изучения строения вещества.

Квантово-полевая картина мира В 1900 г. М. Планк исследовал тепловое излучение тел и доказал, что излучение энергии происходит дискретно, определенными порциями – квантами, энергия к. зависит от частоты световой волны. Свет обладает одновременно корпускулярными и волновыми свойствами. В 1924 г. Л. де Бройль выдвинул гипотезу, что корпускулярно-волновой дуализм имеет универсальный характер, т. е. все частицы вещества обладают волновыми свойствами в микромире.

Квантово-полевая картина мира Любой микрообъект , обладая корпускулярными и волновыми свойствами, не имеет определенной траектории движения и не может иметь определенных координат и скорости (импульса), т. е. можно определить только вероятность нахождения частицы в данной точке и ее скорости в данный момент. Особенность элементарных частиц – их универсальная взаимопревращаемость и взаимозависимость.

Квантово-полевая картина мира В современной физике основной материальный объект- это квантовое поле, переход его из одного состояния в другое меняет число частиц. Движение представляется частным случаем четырех фундаментальных физических взаимодействий. В соответствии с принципом близкодействия взаимодействие каждого типа передается соответствующим полем от точки к точке и скорость передачи взаимодействия всегда конечна и не превышает скорость света в вакууме (300 000 км/с).

Квантово-полевая картина мира В соответствии с теорией относительности пространство и время сливаются в единый четырехмерный континуум, которое не существует вне материальных тел. Вероятностная форма квантово-полевых представлений выражается в форме статистических законов. В основе нашего мира лежит случайность, вероятность.

Материя Микромир Макромир Мегамир

Структурность и системность материи Системность – внутреннее упорядоченное множество взаимосвязанных элементов, определенная целостность. Материя предстает как иерархически организованная совокупность систем, где любой объект одновременно является самостоятельной сложной системой и элементом другой, более сложной системы

Структурность материи Совокупность связей между элементами системы образуют структуру системы. Существуют горизонтальные и вертикальные типы связей. Горизонт. - связи координации между элементами и системами одного уровня Вертикальн. – это связи субординации, иерархии, показывающие взаимоотношения между уровнями организации системы

Структурность материи Понятие структуры материи охватывает все многообразие целостных систем, которая простирается от 10 -15 см до 1028 см (около 20 млрд. световых лет), а во времени 2 х1010 лет.

Структурные уровни организации материи Микромир – область предельно малых, непосредственно ненаблюдаемых материальных микрообъектов, размеры к. от 10 -8 до 10 -16 см, а время жизни – от бесконечности до 10 -24 с. К ним относят поля, элементарные частицы, ядра, атомы и молекулы. Макромир – мир соизмеримый по масштабам с человеком и его физическими параметрами. Пространственные величины выражаются в мм, см, м, км, а время – в с, мин, час, днях, годах. Это макромолекулы, вещества в различных агрегатных состояниях, живые организмы, человек и продукты его жизнедеятельности.

Радиус космологического горизонта наблюдаемой Вселенной 1026 м Диаметр нашей Галактики 1021 м Расстояние от Земли до Солнца 1011 м Диаметр Солнца 109 м Размеры человека 100 м Длина волны видимого света 10 -6 м Размер вирусов 10 -7 м Диаметр атома водорода 10 -10 м Диаметр атомного ядра 10 -15 м Мин. расстояние, доступное современным средствам измерений 10 -18 м

Материальные системы в неживой природе Вакуум (поля с минимальной энергией) Поля и элементарные частицы атомы молекулы Макроскопические тела Планеты и планетные системы Звезды и звездные системы галактики Метагалактика Вселенная

Материальные системы в живой природе Доклеточный уровень (белки и нуклеиновые кислоты) Клетка и одноклеточные организмы Многоклеточный организм, его органы и ткани Популяция (совокупность особей одного вида, занимающих определенную территорию) Биоценоз (совокупность популяций, при к. продукты жизнедеятельности одних являются условиями существования других организмов, населяющих участок суши или воды) Биосфера – совокупность всех живых организмов, включая человека), живое вещество планеты

Социальный структурный уровень индивид семья коллектив Социальная группа Класс нация государство цивилизация человечество

Структурные уровни организации материи Мегамир – сфера огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в к. измеряется астрономическими единицами (среднее расстояние от Земли до Солнца – 8, 3 световые мин), световыми годами (расстояние кот. проходит луч света в течение одного года со скоростью 300000 км/с, световой год = 10 трлн. км), и парсеками (3, 3 световых года), а время существования космических объектов – миллионами и миллиардами лет. К ним относят планеты звезды, галактики и их скопления, метагалактики, Вселенная.

Корпускулярное представление света Ньютоном Свет – это поток маленьких частиц корпускул (И. Ньютон), к. несутся от источника света, взаимодействуют между собой по механическим законам и вызывают ощущение света, попадая в глаза. (корпускулярное представление) Но два потока света могут свободно проходить друг через друга и как частицы должны сталкиваться и изменять направление своего движения

Христиан Гюйгенс (17 в) Все пространство заполняет невидимое светоносное вещество эфир, к. может колебаться, как водная поверхность (вверх-вниз). Колебание эфира вызывает свет- это волны эфира (волновая теория)

Дифракция света Волны обтекают препятствия, а луч света нет. Но открытие явления (разломанный, рассеянный) -(свет огибает препятствия, при этом на границах резких теней видны перемежающиеся светлые и темные полоски) подтвердило волновую природу света. Но не была признана.

Механистической теорией нельзя было объяснить свет и электричество

Волновая теория света Томаса Юнга Он открыл явление интерференции света – при наложении друг на друга двух волн т. о. , что гребень одной из них совмещается со впадиной другой, они уничтожают друга. И при добавлении света к свету может возникать темнота. Это явление подтвердило волновую теорию света.

Электричество (область электромагнитных явлений) Магнитную способность электрически заряженных тел невозможно объяснить механически, т. к. взаимодействие наэлектризованных тел и мелких предметов происходит через пустое пространство (в механике взаимодействие предполагает непосредственный контакт между объектами). Значит вокруг наэлектризованных тел существует особая среда – электромагнитное поле, к. имеет определенные физические свойства, фиксируется приборами, но не осязаема.

Майкл Фарадей предположил, что электричество и свет, не поддающиеся механистическому объяснению, имеют единую физическую природу. Свет- разновидность электромагнитного поля, вернее – его колебания.

Свет – это колебания (волны) не частиц вещества (корпускул), а особой невещественной физической среды – поля. Это было теоретически обосновано в 60 -е г. 19 в. английским ученым Джеймсом Максвеллом и экспериментально подтверждено в 80 -е г. 19 в. немецким ученым Генрихом Герцем.

Вещество и поле До 19 века считалось, что материя – это вещество в различных его состояниях. Материя – это тела и частицы. В 19 в. Установлено, что материя может существовать в виде вещества и поля. Это две различные виды материи. Они два противоположных взаимоисключающих вида материи (классическое естествознание в эпоху своего расцвета).

Различия вещества и поля: Вещество Корпускулярная природа (состоит из частиц), поэтому прерывно Обладает массой Мало проницаемо (каменная стена) скорость движения частиц вещества в сотни раз меньше скорости поля Поле Волновая природа (нет частиц) и непрерывно Невесомо поле проницаемо (повсюду нас окружает, мы его существования не замечаем) Скорость распространения поля равна скорости света (300 000 км/с),

Корпускулярно-волновой дуализм – одновременное наличие у чего-либо двух противоположных и несовместимых качества. В конце 19 в. - начале 20 в. обнаружилось что физический мир един: поле обладает корпускулярными свойствами, а частицы – волновыми Пример: человек (единое существо) – это дуализм тела и разума Макротела – объекты корпускулярной теории, дуализм проявляется только в микромире.

Модели атома Автор, дата Содержание концепции Левкипп - 5 Демокрит-4, Эпикур-3 в. до н. э. Материальный мир состоит из неделимых и неизменных атомов и пустоты, связанных в единую и целостную Вселенную – она вечна и бесконечна. Атомы однородны и отличаются только величиной, формой, тяжестью. Дж. Дальтон 1803 г. Введено понятие атомного веса, составлена первая таблица атомных весов элементов

Д. И. Менделеев 1869 г. На основе атомных весов химических элементов построена периодическая система химических элементов Д Томпсон, 1897 Открыты отрицательно заряженные г. частицы – электроны Джон Томпсон, 1903 г. Построена модель атома – положительно заряженный шар с вкрапленными в него электронами – «булка с изюмом» . +заряженный атом равен – сумме заряженных электронов Открыто атомное ядро (положительно Эрнест Резерфорд 1911 г. заряженная частица). Создана планетарная модель атома – в центре находится ядро, а вокруг него по своим орбитам движутся электроны

Нильс Бор, 1913 г. Объяснение с позиций макромира Усовершенствована планетарная модель атома. Электрон – сгусток энергии, размазанный вокруг ядра не равномерно. Говорят не об орбите движения электрона, а о его неизменном (стационарном состоянии), в к. он находится не излучая энергии. Излучение или поглощение порции энергии происходит при переходе электрона с одного стационарного состояния в другое Резерфорд Л. де Бройль, 1924 г. Открыт протон. 1919 г. Гипотеза о корпускулярно-волновом дуализме электронов, атомов и др. частиц

М. Планк Исследуя процессы теплового излучения пришел к выводу: при излучении энергия отдается не непрерывно и и не в любых количествах, а небольшими и неделимыми порциями – квантами (сколько –лат. ). Порция – нечто вещественное, а энергия – поле (непрерывное). Квант – объект физической реальности, в к. одновременно представлены вещество и поле, объект отличающийся корпускулярноволновым дуализмом

Эйнштейн • Создал фотонную теорию, по к. свет имеет корпускулярно-волновую природу. Он распространяется квантами, т. е. энергетическими порциями – фотонами. • Свет – это поток энергетических зерен, световых квантов или фотонный дождь. n. Стало понятно явление фотоэффекта – выбивание электронов из вещества под действием световых волн (каждый электрон вырывается одним фотоном). n. В опытах по дифракции и интерференции свет проявляются его волновые свойства, а при фотоэффекте – корпускулярные.