Классическое естествознание 1
Объекты • Локализованные в пространстве (имеют определенный объем) различные тела. • Распределенные в пространстве, сплошные – жидкости, свет, тепло, радиоволны. Фундаментальные модели классической версии ЕНКМ • Частица (корпускула) • Сплошная среда (континуум) 2
Модель корпускулы = материальная точка в физике • Пренебрегаем внутренней структурой объекта. • Не учитываем размер и форму объекта. • тело движется как целое. Тела - прообразы модели корпускулы в природе 3
Типы движений для модели корпускулы • Поступательное (перемещение тела как целого - все элементы объекта движутся с одинаковой по величине и направлению скоростью) • Вращательное (есть одна или несколько неподвижных точек; разные элементы движутся с разными скоростями) • Колебательное (характеристики движения принимают одни и те же значения через некоторые промежутки времени) 4
Характеристики модели корпускулы 1. Масса 2. Импульс p = mv (количество поступательного движения) 3. Момент импульса L (количество вращательного движения) 4. Полная энергия 5. Электрический заряд q 5
Масса корпускулы • Мера инертности Инертность – способность тела сохранять свое состояние движения. • Мера гравитации Гравитация – способность тел притягиваться друг к другу. • Мера способности тела совершать работу потенциальная энергия кинетическая энергия покоя 6
Свойства массы 1. Инвариантность массы – независимость массы от скорости движения и выбора системы отсчета. 2. Масса тела- «врожденная» , «паспортная» характеристика целостного объекта. 3. Есть частицы с «нулевой» и «ненулевой» массой. 4. Изменить «пол» частицы по признаку наличия массы нельзя. 7
Принцип относительности Галилея • Мысленный эксперимент с каютой корабля • Покой = прямолинейное равномерное движение
Идеи Галилея • Скорость падения не зависит от массы • Тела стремятся сохранять свое состояние движения (явление инерции) • Сила – причина изменения скорости, а не самого факта движения. • Земля – не уникальный объект (система Юпитер + спутники) • Солнце – физический объект со сложной структурой
Какова природа тяжести тел? «Я думаю, что тяжесть не что иное, как некоторое стремление, которым божественный Зодчий одарил частицы материи, чтобы они соединялись в форме шара. Этим свойством, вероятно, обладают Солнце, Луна и планеты; ему эти светила обязаны своей шаровидной формой» . (Н. Коперник. 1503 -1543) «Гравитацию, я определяю, как силу, подобную магнетизму — взаимному притяжению. Сила притяжения тем больше, чем оба тела ближе одно к другому» . (И. Кеплер. 1609 -1621) «Все небесные тела имеют притяжение, или силу тяготения, к своему центру, вследствие чего они не только притягивают собственные части и препятствуют им разлетаться, но притягивают также все другие небесные тела, находящиеся в сфере их действия» . «Притягательные силы тем значительнее обнаруживают себя, чем ближе тело, на которое они действуют, находится от центра действия» . (Р. Гук. 1674)
Закон всемирного тяготения И. Ньютона (1686) Два тела (две материальные точки) притягиваются друг к другу прямо пропорционально массам каждого из тел и обратно пропорционально квадрату расстояния между ними.
Законы Ньютона (1687) 1. Существуют такие системы отсчёта, относительно которых материальная точка при отсутствии внешних воздействий сохраняет величину и направление своей скорости неограниченно долго. 2. Изменение количества движения пропорционально приложенной движущей силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует. 3. Действию всегда есть равное и противоположное противодействие, иначе — взаимодействия двух тел друг на друга равны и направлены в противоположные стороны.
Границы применимости законов Ньютона: 1. 2. 3. 4. 5. 6. Инерциальные системы отсчета Материальные точки Малые скорости Слабые гравитационные поля Объекты макромира Ограниченное число взаимодействующих частиц
Закон Кулона (1785) Модуль силы взаимодействия двух точечных зарядов в вакууме прямо пропорционален произведению модулей этих зарядов и обратно пропорционален квадрату расстояния между ними
Электромагнитное поле (1841) Когда мы наблюдаем, что одно тело действует на другое на расстоянии, то, прежде чем принять, что это действие прямое и непосредственное, мы обыкновенно исследуем, нет ли между телами какой-либо материальной связи…(М. Фарадей) Если мы примем эту электродинамическую среду в качестве гипотезы, я считаю, что она должна занимать выдающееся место в наших исследованиях. (Дж. Максвелл)
Уравнения Дж. Максвелла (1864) Электростатические поля порождаются частицами, обладающими электрическим зарядом Магнитные заряды не существуют Переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле Источником магнитного поля являются электрические токи и переменные вихревые электрические поля
Законы сохранения связаны с симметрией пространства-времени закон сохранения импульса однородность пространства закон сохранения энергии однородность времени закон сохранения момента импульса изотропность пространства 17
Модель корпускулы Изолированная корпускула Законы сохранения: • Момента импульса Неизолированная корпускула Законы изменения • Импульса L сила • Импульса • Энергии мощность силы 18
Производные от модели корпускулы • Модель идеального газа (система невзаимодействующих частиц) • Модель твердого тела (система жестко связанных друг с другом частиц) • Модель осциллятора (от лат. oscillo — (частица, совершающая колебания) качаюсь) 19
Модель континуума • Континуум – непрерывная, бесструктурная, бесконечно делимая среда • Удобна для описания объектов, состоящих из большого числа частиц • Прообразы модели в природе – сплошные среды, излучение 20
Модель континуума • Область применения: специфические процессы, возможные в сплошной среде – волны. • Поле Если в каждой точке пространства некоторая величина имеет определенное значение, то задано поле этой величины Непрерывно – не значит равномерно! 21
Волновое движение Волна – распространение колебаний в пространстве, происходящее с конечной скоростью. При распространении волны происходит перемещение определенного состояния колеблющейся среды, но не перенос вещества. 22
Волновые процессы – специфический тип движения в модели «континуум» Каждый элемент среды совершает свое локальное колебание, оставаясь на своем собственном месте, но оно передается соседним элементам – образуется волна. Особенности волнового движения • запаздывание (отставание) колебаний соседних элементов среды • скорость распространения волны и скорость колебаний различны 23
Характеристики волны на примере звука λ – длина волны – пространственный период По горизонтальной оси - расстояние Характеристики волны – период волны Т По горизонтальной оси – время Частота волны ω~ 1/T 24
Типы волн Продольные Поперечные 25
Электромагнитная волна 26
Дифракция - явление отклонения распространения волны от законов геометрической оптики. Дифракция – явление огибания волнами препятствий. Дифракция света наблюдается при встрече светового пучка с препятствиями, размеры которого сравнимы с длиной световой волны. Препятствием может быть отверстие, щель, край непрозрачной преграды. 27
Интерференция • Устойчивое пространственное перераспределение интенсивности света. • Наложение волн, при котором происходит их взаимное усиление в одних точках пространства и ослабление – в других. • Для возникновение устойчивой картины излучение должно быть когерентным (согласованным): иметь одинаковую плоскость поляризации, частоту и постоянную разность фаз. 28
29
Механизмы передачи воздействия на расстояние Есть контакт! Принцип дальнодействия взаимодействие происходит в пустоте, без какого-либо посредника, мгновенно (с бесконечной скоростью). (И. Ньютон) Принцип близкодействия для несоприкасающихся объектов существует посредник – переносчик, который движется с конечной скоростью – неизбежно запаздывание при передаче воздействия. (Р. Декарт, М. Фарадей) 30
Фундаментальные взаимодействия и их механизмы классической картины мира Гравитационное взаимодействие Дальнодействие (между корпускулами) Законы Ньютона и Закон Всемирного тяготения Электромагнитное взаимодействие Близкодействие (между заряженными телами и электромагнитным полем) Уравнения Максвелла 31
Гравитационное взаимодействие Описание Переносчик взаимодействия Участники определяет Все виды движение планет в вещества, все Гравитон объекты звездных системах, управляет (гипотетическая природы, все эволюцией частица – квант элементарные Вселенной, гравитационного частицы процессами в поля) звездах, в земных условиях проявляет себя как сила взаимного притяжения массивных тел
Электромагнитное взаимодействие Описание существование атомов и молекул и определяет взаимодействие ядер и электронов в этих микросистемах, взаимодействие заряженных тел Переносчик взаимодействия Участники фотон заряженные тела, все заряженные элементарные частицы
Радиус действия Взаимодействие m - масса переносчика Радиус действия Электромагнитное 0 0<r<∞ Гравитационное 0 0<r<∞
Нефундаментальные взаимодействия – видимый результат действия фундаментальных. Например, • В микромире – взаимодействия между нейтральными атомами и молекулами в кристаллах – Ван-дер-Ваальсовы силы • В макромире – силы трения и вязкости
Классическая концепция измерения • Прибор – канал связи между исследователем и изучаемым объектом. • Идеальный прибор не вносит возмущения в состояние объекта • Характеристики объекта в данных условиях имеют строго определенные значения • Все повторные измерения с идеальным прибором приводят к воспроизведению ПЕРВОНАЧАЛЬНО ПОЛУЧЕННОГО РЕЗУЛЬТАТА
Реальные измерения • Реальный прибор создает погрешности, которые в принципе могут быть устранены. • Повторные измерения необходимы лишь для компенсации погрешностей реальных измерительных процедур. • Истинное значение измеряемой характеристики может быть найдено из эксперимента путем усреднения результатов нескольких измерений
Реальные измерения • Итоговый результат реального измерения любой величины имеет вид А = А ср. ± Δ А, где А ср – фиксированная величина Δ А – дисперсия (гарантируемый разброс значений) величины А В теоретических рассуждениях дисперсия не принимается во внимание
Проблема измерения в «классике» не является собственно проблемой: • Идеальный прибор • Возможность найти скрытые параметры и бесконечно увеличивать точность эксперимента • Исследователь не влияет и не изменяет свойств изучаемого объекта 39
Однозначная логика «или-или» и однозначный контекст события. Недопустимость взаимоисключающих свойств в одном объекте. Дополнительными могут быть лишь разные объекты! Свойства сложных объектов объясняются на основе принципа редукции – особенности состава и свойства элементарных структурных единиц определяют свойства целого объекта. 40
Поиск единства • Электричество – магнетизм – оптика • Растения-животные-грибы-бактерии
«Современные события имеют с событиями предшествующими связь, основанную на очевидном принципе, что никакой предмет не может начать быть без причины, которая его произвела. . . Мы должны рассматривать современное состояние Вселенной как результат ее предшествующего состояния и причину последующего. Разум, который для какого-нибудь данного момента знал бы все силы, действующие в природе, и относительное расположение ее составных частей, если бы он, кроме того, был достаточно обширен, чтобы подвергнуть эти данные анализу, обнял бы в единой формуле движения самых огромных тел во Вселенной и самого легкого атома; для него не было бы ничего неясного, и будущее, как и прошлое, было бы у него перед глазами. . . Кривая, описываемая молекулой воздуха или пара, управляется столь же строго и определенно, как и планетные орбиты: между ними лишь та разница, что налагается нашим неведением. » П. С. Лаплас
Причины, взаимодействия, законы в классическом естествознании 1. Принцип предопределенности (Лапласовский детерминизм) однозначная связь между причиной и следствием. 2. В самой сути природы нет случайности. 3. Наблюдаемая случайность в ходе естественных процессов – результат ограниченности нашего ЗНАНИЯ о поведении всех участников событий. 43
Скачать презентацию Классическое естествознание 1 Объекты Локализованные в
Вторая.ppt