Концепции современного естествознания Лекция 2 Механика Ньютона Электричество

Концепции современного естествознания Лекция 2 Механика Ньютона Электричество и магнетизм

1027 1 м МЕГАМИР 10– 15 макромир микромир

Механическ ая картина мира Механика Ньютона конец 17 в. Гипотез не измышляю

Математические начала натуральной философии 1687

Законы Ньютона для движения тел 1. Закон инерции (= принцип инерции Галилея) 2. 3.

Природа тяготения Ньютон был первым, кто предположил, что сила, заставляющая тела падать на Землю и сила, управляющая движением планет – одна и та же Первое доказательство – из вычисления ускорения свободного падения Луны. Оно оказалось равным g

Закон всемирного тяготения G = 6, 6742 · 10– 11

гравитационная масса инерционная масса Р А В Н Ы что не тривиально

ПРИНЦИПЫ механической картины мира

1. Пространство и время

§ Пространство и время абсолютны – «вместилище тел» § Свойство вытекает из Галилеевского принципа относительности – отсутствия выделенной СО

Две античные концепции пространства § Аристотель – пространство и время – свойства материи «природа не терпит пустоты» § Атомисты (Демокрит) – существует пустое пространство, в котором атомы движутся

Раньше считали, что, если какимлибо чудом все материальные вещи исчезли бы вдруг, то пространство и время остались бы. Согласно же теории относительности, вместе с вещами исчезли бы и пространство и время Эйнштейн

Абсолютное пространство Ньютона § § Трехмерно Непрерывно (бесконечно делимо) Бесконечно Однородно – свойства пространства не зависят от перемещения системы отсчета в другую точку § Изотропно – свойства пространства не зависят от направления системы отсчета § Свойства описываются геометрией Евклида

Абсолютное время Ньютона § Одномерное § Непрерывное § Однородное – нет «выделенного» момента времени, законы физики не изменятся от перемещения в другую точку на стреле времени) § НЕизотропное Время имеет направление. Хотя в рамках механики наличие избранного направления у времени необъяснимо – ее законы инвариантны относительно него.

2. Взаимодействие Основной вид взаимодействия в механической картине мира – гравитационное

Принципы взаимодействия тел § принцип дальнодействия взаимодействия между телами на расстоянии передается через пустоту с бесконечно большой скоростью § принцип причинности – каждое явление имеет причину, и само является причиной следующих. § Таким образом все события – это цепочки причин-следствий – детерминизм

Детерминизм Ньютона Начальное состояние механической системы (совокупность положений и скоростей имеющих неизменные массы материальных точек) однозначно определяет всё движение

В историю науки детерминизм вошел в формулировке Лапласа, данной через 100 лет после Ньютона Пьер-Симон Лаплас 1749 — 1827

Демон Лапласа Интеллект, который в данное мгновение знал бы все силы, действующие в природе, и положение всех вещей, из которых состоит мир, – будь он настолько огромным, чтобы подвергнуть все эти данные анализу, одной формулой охватил бы движения, как самых больших тел вселенной, так и самых крошечных атомов: для него не было бы ничего неопределённого, а будущее, равно как и прошлое предстояло бы пред его глазами

Свойства пространствавремени и законы сохранения

Свойства пространства и времени и законы сохранения однородность времени закон сохранения энергии однородность пространства закон сохранения импульса изотропность пространства закон сохранения момента импульса

Свойства пространства и времени и законы сохранения Теорема Нётер § если какое-то свойство системы не меняется при каких-либо преобразованиях переменных, то ему соответствует некоторый закон сохранения. Эмма Нётер, 1919

Не все преобразования симметричны относительно законов природы § Им не является преобразование масштаба § Пространство-время не обладает зеркальной симметрией (бэта-распад, биологические системы)

Изучение второго фундаментального взаимодействия – электромагнитног о Началось ~ через 100 лет после Ньютона

§ Электрические и магнитные силы известны с античности § Электрон – янтарь (греч. ) § Магнезия – греческий город, где были залежи магнитного железняка § Рассматривались как два разных явления Искры Молнии. Магниты Магнитное поле Земли

Компас древних мореплавателей Известен в Европе с 11 века

О том, что это – тоже электричество – не догадывались вплоть до Максвелла

§ С середины 18 века – научные исследования электричества § Обнаружено, что заряды бывают (+) и (–) § Закон сохранения электрического заряда § В замкнутой системе суммарный заряд сохряняется § Закон Кулона – 1785

Закон Кулона Силы Кулона существенны на расстояниях 10– 15 м ядро атома Сильное взаимодействие 10– 9 м большие молекулы Гравитация

На малых расстояниях электрические силы намного сильнее гравитационных ē r сила тяготения электрическое отталкивание ē = 1 4, 17· 1042 – отношение диаметра Вселенной к диаметру протона

§ 1820 – Ханс Эрстед случайно открывает, что § Электрический ток создает магнитное поле § Считавшиеся раньше различными явления - взаимосвязаны N S S N

Начало 19 века Понятие поля Закон электромагнитной индукции – переменные поля способны распространяться в пространстве, порождая «бестелесную» электромагнитную волну Это был ум, который никогда не погрязал в формулах Эйнштейн Michael Faraday 1791 – 1867

1860 -е Максвелл James Clerk Maxwell 1831 — 1879 Памятник в Эдинбурге

§ Максвелл построил математически строгую теорию, которая давала теоретическое обоснование открытым Фарадеем законам. § Электромагнитное поле, распространяющееся в вакууме стало новой физической реальностью

Уравнения Максвелла div E = 4πρ div H = 0 Электрическое поле, соответствующее какому-либо распределению заряда, определяется из закона Кулона Магнитные заряды не существуют Е – вектор напряженности электрического поля Н – вектор напряженности магнитного поля ρ – плотность электрического заряда

Уравнения Максвелла div E = 4πρ div H = 0 rot E = – rot H = j – вектор плотности тока Переменное магнитное поле возбуждает электрический ток j Магнитное поле возбуждается токами и переменными электрическими полями

Следствие из уравнений Максвелла Изменяющееся со временем электрическое поле, должно порождать магнитное поле А это переменное магнитное поле, в свою очередь, должно порождать электрическое поле Таким образом, электрическое и магнитное поля как бы «проталкивают» друга через пустое пространство

Решение уравнений Максвелла для вакуума (нет ни зарядов, ни токов) Скорость распространения электромагнитной волны μ 0 и ε 0 - электрическая и магнитная постоянные в вакууме

Решение уравнений Максвелла для вакуума Вычисленная таким образом скорость распространения электромагнитной волны совпала со скоростью света с = 2. 9979· 108 ≈ 3 · 108 м/с Вывод: Свет – это электромагнитные волны

Из теории Максвелла следовало, что должны существовать электромагнитные волны и другой длины, кроме видимых глазом. 1888 Генрих Герц открывает радиоволны Первый радиопередатчик – «беспроводное электричество» Heinrich Hertz 1857 - 1894

1896 Первая в мире радиограмма «Генрих Герц» А. С. Попов

Генерация и восприятие электрического поля Криворылый гнатонем Веслонос Молотоголовая акула Утконос Рыба-пила Ехидна

Генерация и восприятие электрического поля

Частота и длина волны частота 1 Гц (герц) = λ 1 сек длина В единицах длины – нм, см, м

Частота видимого света 3· 1014 — 3· 1015 Гц

В сплошных средах скорость света меньше, чем в вакууме nвоздуха = 1, 0003 nводы = 1, 33 Показатель преломления среды nалмаза = 2, 42 nкремния = 4, 0

Противоречия механики Ньютонаи теории Максвелла Принцип дальнодействия Гравитация передается мгновенно, т. е. с бесконечной скоростью близкодействия Волна передается с огромной, но конечной скоростью 300 000 км/с Следовательно, эти взаимодействия не могут быть проявлением одного фундаментального закона природы – два начала, что плохо.

Противоречия механики Ньютонаи теории Максвелла Принцип Неинвариантность относительности Все физические законы инвариантны относительно инерциальных систем отсчета относительно преобразований Галилея Из уравнений Максвелла следовало постоянство скорости света с в любой системе отсчета

Следующая лекция – теория относительности Эйнштейна

Авторские права Вы скачали данную презентацию с сайта Biologii. Net, согласившись с тем, что Вы можете свободно Вы НЕ имеете права § Использовать данную § Копировать, распространять или презентацию в образовательных целях с сохранением авторства. § Использовать рисунки и отдельные слайды в своих презентациях и на сайтах со ссылкой на данный сайт или автора. использовать ее другим способом для извлечения коммерческой выгоды. § Выкладывать на интернет-сайтах для скачивания. § Использовать слайды, текст и авторские рисунки без ссылок, выдавая их за свои. Если вы не согласны с этими условиями, удалите презентацию с вашего компьютера. © М. А. Волошина 2009 http: //biologii. net