Механика Ньютона Электричество и магнетизм Концепции современного естествознания

Механика Ньютона Электричество и магнетизм Концепции современного естествознания Лекция 2

микромир макромир МЕГАМИР 1м 10–15 1027

Механическая 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)

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

инерционная масса гравитационная 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 каким-либо 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

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

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 пространства-времени 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 если какое-то свойство системы не меняется при каких-либо преобразованиях переменных, то ему соответствует некоторый закон сохранения. Теорема Нётер 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 – электромагнитного 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

Известен в Европе с 11 века Компас древних мореплавателей

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 10–9 м ядро атома большие молекулы Сильное взаимодействие Гравитация

На малых расстояниях электрические силы намного сильнее гравитационных 1042 – отношение диаметра Вселенной к диаметру протона

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

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

James Clerk Maxwell 1831 — 1879 1860-е Максвелл 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 Е – вектор напряженности электрического поля Н – вектор напряженности магнитного поля ρ – плотность электрического заряда Электрическое поле, соответствующее какому-либо распределению заряда, определяется из закона Кулона Магнитные заряды не существуют

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

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» друг друга через пустое пространство

Решение уравнений Максвелла для вакуума (нет ни зарядов, ни токов) Скорость распространения электромагнитной волны μ0 и ε0 - электрическая и магнитная постоянные в вакууме

Решение уравнений Максвелла для вакуума Вычисленная таким образом скорость распространения электромагнитной волны совпала со скоростью света Вывод: Свет – это электромагнитные волны с = 2.9979·108 ≈ 3 ·108 м/с

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

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

Генерация и восприятие электрического поля

Генерация и восприятие электрического поля

Частота и длина волны частота длина λ 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 nалмаза = 2,42 nкремния = 4,0 Показатель преломления среды

Противоречия механики Ньютона и теории Максвелла Принцип близкодействия Принцип дальнодействия Гравитация передается мгновенно, т.е. с бесконечной скоростью 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 Ньютона и теории Максвелла Неинвариантность относительно преобразований Галилея Принцип относительности Все физические законы инвариантны относительно инерциальных систем отсчета Из уравнений Максвелла следовало постоянство скорости света с в любой системе отсчета

Следующая лекция – теория относительности Эйнштейна

Вы можете свободно Использовать данную 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. Авторские права Вы НЕ имеете права Копировать, распространять или 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. © М.А. Волошина 2009 http://biologii.net Вы скачали данную презентацию с сайта Biologii.Net, согласившись с тем, что Если вы не согласны с этими условиями, удалите презентацию с вашего компьютера.