СОВРЕМЕННАЯ ФИЗИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА Ирина Ивановна Беспаль доцент

СОВРЕМЕННАЯ ФИЗИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА Ирина Ивановна Беспаль, доцент кафедры физики и методики физики ЧГПУ, к. физ. -мат. н bespalii@cspu. ru

Физическая картина мира – совокупность знаний о мире и месте человека в нём.

Эволюция физической картины мира • Механическая картина мира (XVII-XIX вв. ) • Полевая картина мира (XIX в. ) • Квантово-статистическая картина мира (XIX-ХХ вв. ) Квантово-полевая картина мира

Механическая картина мира И. Ньютон (1642 – 1727) Сформулировал основные законы и понятия механики, открыл закон всемирного тяготения. Разработал теорию движения небесных тел, впервые объяснил происхождение приливов и отливов в океане. В оптике открыл явление разложение белого света на цвета, объяснил их происхождение и др. Разработал метод математического исследования природы, повлияв на всё последующее развитие физики.

Механическая картина мира • Мир состоит из твёрдых, весомых, непроницаемых, подвижных частиц. Всё многообразие мира – результат различий в движении частиц.

Механическая картина мира • Для описания движения достаточно использовать общие и абстрактные понятия: сила, масса, ускорение. Дифференциальное и интегральное исчисления позволяют определить параметры движения в любой момент времени.

Механическая картина мира • Изменение состояния движения тела – следствие воздействия на него другого тела. Законы движения имеют всеобъемлющий характер: им подчиняются громадные небесные тела и мельчайшие пылинки, гонимые ветром.

Механическая картина мира Все понятия, на основе которых Ньютон построил первую физическую теорию – классическую механику – являются идеализированными. Пространство и время носят абсолютных характер.

Механическая картина мира Представлялось, что все явления природы получат число механическое объяснение. Основные положения механической картины мира сформулировал П. С. Лаплас. П. -С. Лаплас 1749 – 1827

Механическая картина мира • Движение всех тел подчинено законам динамики Ньютона; • Между объектами макро- и микромира отсутствует принципиальное различие; • В природе не существует каких-либо качественных изменений и процессов, не сводящихся к чисто механическим; • Все причинно-следственные связи являются однозначными и детерминированными.

Механическая картина мира ØЗакон взаимодействия зарядов (Ш. Кулон, 1785 г. ) ØЗакон взаимодействия электрических токов (А. М. Ампер, 1821) ØМеханическая теория теплоты (У. Томсон, Р. Клаузиус, 20 -ые гг. XIX в. ) ØВолновая теория света как механика упругой среды (эфира) (О. Френель, тогда же)

Механическая картина мира Но! Действительность оказалось более интересной: почти все силы имеют электромагнитную природу, свет является частным случаем электромагнитной волны…

Механическая картина мира Теория дальнодействия: тела действуют через пустоту и мгновенно (Ньютон, Кулон) Теория близкодействия: тела действуют посредством особой среды, которая распространяется с некоторой конечной скоростью (Фарадей, Максвелл)

Полевая картина мира Создатель теории электромагнитного поля. уравнения Максвелла для электромагнитного поля лежат в основе всей электродинамики. Является одним из основателей молекулярно-кинетической теории строения вещества. Впервые ввёл в физику представления о статистических законах, использующих математическое понятие вероятности. Д. К. Максвелл (1831 – 1879)

Полевая картина мира • Мир состоит из заряженных частиц, образующих вещество. Частицы взаимодействуют посредством электрического и/или магнитного поля.

Полевая картина мира • Между электрическими и магнитными полями существует глубокая внутренняя связь, определяемая возможностью преобразования полей друг в друга. Источник электрического поля: заряд, переменное магнитное поле. Источник магнитного поля: электрический ток и переменное электрическое поле.

Полевая картина мира • Электромагнитное поле распространяется в пространстве с конечной скоростью (электромагнитные волны) Каждая ускоренно движущаяся заряженная частица является источником электромагнитных волн.

Полевая картина мира • Свет есть частный случай электромагнитной волны.

Полевая картина мира • Электромагнитные волны переносят энергию и импульс, вследствие этого при падении и отражении оказывают механическое давление на тела. Электромагнитное поле – одна из форм существования материи.

Полевая картина мира ØДоказано отсутствие эфира (А. Майкельсон, Э. Морли, 1887 г. ) ØОткрытие электромагнитных волн (Г. Герц, 1888 г. ) ØОткрыт электрон (Дж. Томсон, 1897 г. ) ØЗаложены идеи электронной теории вещества (Г. Лоренц, конец XIX в. ) ØИзмерено давление света (П. Н. Лебедев, 1899, 1909 гг. )

Полевая картина мира ØСоздана специальная теория относительности (А. Эйнштейн, 1905 г. ): 1) фундаментальное значение скорости электромагнитных взаимодействий; 2) новое учение о пространстве и времени; 3) найдены релятивистские уравнения движения, заменяющие уравнения Ньютона при больших скоростях; 4) взаимосвязь массы и энергии.

Полевая картина мира Но! Природа оказалась сложнее: уравнения движения частиц и закон всемирного тяготения не могут быть выведены из теории электромагнитного поля; открыты нейтральные частицы и новые типы взаимодействия.

Квантово-статистическая картина мира Принцип однонаправленности (необратимости) тепловых процессов • Термодинамика (динамическая теория теплоты) – середина XIX в. • Микроскопическая теория (статистическая механика), построена на основе механики с привлечением элементов и понятий теории вероятностей – конец XIX в.

Квантово-статистическая картина мира Конец XIX – начало XXв. : молекулярнокинетическая теория (Д. К. Максвелл, Л. Больцман, У. Гиббс, А. Эйнштейн): • проследить поведение каждой отдельной частицы невозможно • удобнее описывать объект в целом, на этом уровне он обладает уникальными свойствами (температурой, давлением, энтропией) • можно описать вероятности тех или иных состояний.

Квантово-статистическая картина мира 1900 г. Для описание законов теплового излучения М. Планк ввёл понятие кванта – минимальной порции энергии 1858 – 1947

Квантово-статистическая картина мира • Энергия излучения должна быть кратна величине энергии одного кванта, т. е. процесс испускания телами электромагнитного излучения имеет прерывистый характер.

Квантово-статистическая картина мира • Постоянная Планка h – квант действия, который позволяет отличать микрообъекты от макрообъектов: если квант действия способен изменить состояние объекта, то это объект микромира и его следует описывать квантовыми закономерностями.

Квантово-статистическая картина мира • Состояния микрочастиц описываются волновым полем вероятностей (уравнение Шрёдингера, соотношение неопределённостей Гейзенберга)

Квантово-статистическая картина мира • Свету и микрочастицам присущ корпускулярно-волновой дуализм, т. е. в поведении этих объектов проявляются как волновые, так и корпускулярные свойства.

Квантово-статистическая картина мира • Разные свойства микрообъектов не проявляются одновременно, они дополняют друга, только их совокупность характеризует микрообъект полностью. Микрообъекты распространяются как волны, а обмениваются энергий как частицы.

Современная физическая картина мира 1. При всём разнообразии материальных объектов наш мир един вещественно. Однако, структурно и энергетически формы проявления материального мира чрезвычайно разнообразны.

Современная физическая картина мира 2. Все материальные объекты системно организованы по принципу иерархической соподчинённости структурных уровней (микро-, макрои мегамир).

Современная физическая картина мира 3. Все процессы и явления в материальном мире причинно обусловлены и протекают в соответствии с естественными законами природы.

Современная физическая картина мира 4. Все взаимодействия материальных объектов сводятся к четырём фундаментальным взаимодействиям.

Современная физическая картина мира Тип взаимодействия Сравнительная величина интенсивности Радиус действия сил, м Сильное 1 10 -15 Электромагнитное 10 -4 ∞ Слабое 10 -20 10 -18 Гравитационное 10 -40 ∞

Современная физическая картина мира Тип взаимодействия Квант поля Масса покоя переносчика Участники взаимодействия π~ 140 Мэ. В мезоны Адроны Электромагнитное Фотоны 0 Все заряды Слабое W ±, Z 0 – бозоны ~ 80 Гэ. В Все частицы Сильное Гравитацион- Гравитон ? ное (кроме фотона) 0? Матер. объекты

Современная физическая картина мира 5. Все формы материи и их движения обладают способностью к взаимным превращениям в рамках фундаментальных законов сохранения.

Современная физическая картина мира 6. Материя, пространство, время и Вселенная в целом возникли в едином процессе в момент Большого Взрыва порядка 15 млрд. лет назад.

Современная физическая картина мира 7. Все материальные объекты и Вселенная в целом включены в глобальный эволюционный процесс, который, начавшись с рождения Вселенной, привёл к появлению в ней человека и его разума.

Вселенная – весь окружающий нас мир. Астрономическая Вселенная (Метагалактика) – часть Вселенной, доступная наблюдениям в настоящее время и в обозримом будущем

Астрономия – …

АСТРОНОМИЯ Наука, изучающая движение, строение, происхождение и эволюцию небесных тел, их систем и Вселенной в целом.

Развитие представлений о Вселенной

Развитие представлений о Вселенной Клавдий Птолемей: II в. н. э. Геоцентрическая система

Развитие представлений о Вселенной

Развитие представлений о Вселенной Николай Коперник: 1543 г. Гелиоцентрическая система

Развитие представлений о Вселенной

Развитие представлений о Вселенной Открытия и изобретения XIX – XX вв. : • • Спектральный анализ Фотография Эффект Доплера Радиоволны Теория относительности Элементарные частицы Термоядерные реакции Космонавтика

Развитие представлений о Вселенной XXI в. – новые технологии создания телескопов с высочайшим качеством разрешения, нейтринные телескопы нового поколения - Создание обсерваторий на Луне; - Экспедиции на Марс; - Разгадка природы тёмной материи; - Понимание будущего расширяющейся Вселенной

Объекты изучения Тела Солнечной системы

Объекты изучения Планеты Солнечной системы

Объекты изучения Карликовые планеты Солнечной системы

Объекты изучения Спутники планет Солнечной системы Спутники планет

Объекты изучения Спутники планет Солнечной системы

Объекты изучения Малые тела Солнечной системы Астероиды

Объекты изучения Малые тела Солнечной системы

Объекты изучения Малые тела Солнечной системы Кометы

Объекты изучения Малые тела Солнечной системы

Объекты изучения Малые тела Солнечной системы Кентавры

Объекты изучения

Объекты изучения Малые тела Солнечной системы Метеоры

Объекты изучения Малые тела Солнечной системы Метеориты

Объекты изучения

Объекты изучения Звёзды и их системы

Объекты изучения Солнце

Объекты изучения Звёзды и их системы Скопления

Объекты изучения Звёздные скопления

Объекты изучения Туманности

Объекты изучения Наша Галактика и другие галактики

Объекты изучения Галактики

Объекты изучения Скопления галактик

Объекты изучения Скопления галактик Местная группа галактик

Объекты изучения Сверхскопления галактик Скопление галактик в Деве

Объекты изучения Сверхскопления галактик

Объекты изучения Метагалактика

Иерархия объектов Вселенной Структурные элементы Вселенной: 1. Звёзды 2. Звёздные скопления 3. Галактики 4. Скопления галактик 5. Сверхскопления галактик

Вселенная представляет собой единство многообразия иерархически расположенных объектов, движением которых управляет в основном сила гравитации

Особенности астрономического метода исследований: 1. Наблюдения пассивны по отношению к изучаемым объектам 2. Наблюдения ведутся с движущейся Земли 3. Большая удалённость изучаемых объектов 4. Постоянные помехи в атмосфере

Информация к размышлению «В эмоциональных отношениях человека значимость приобретают уважение к себе и к другим людям, любовь к родному краю и Вселенной» . Ильясов Д. Ф. , Сериков Г. Н. «Теория управления образованием» М. : Гуманит. изд. центр ВЛАДОС, 2004, С. 11.

Темы докладов 1. Механическое движение и средства его описания 2. Динамика Ньютона 3. Всемирное тяготение 4. Сопротивление движению и сила трения 5. Основы электростатики 6. Законы постоянного электрического тока 7. Электромагнитная индукция и её применение 8. Электромагнитные волны и их применение 9. Волновая оптика 10. Геометрическая оптика 11. Законы теплового излучения 12. Фотоэлектрический эффект. Фотоны 13. Строение атома. Постулаты Бора 14. Волновые свойства микрочастиц 15. Строение ядер. Ядерные реакции

Контрольная работа Сайт http: //moodle. cspu. ru/ Инструкция с сайта: Для полноценного доступа к курсам на этом сайте Вам потребуется потратить пару минут, чтобы самостоятельно создать учетную запись. Пошаговая инструкция: • Укажите свои данные в форме "Новая учетная запись". • На указанный Вами адрес электронной почты сразу же будет отправлено письмо. • Прочитайте это письмо и пройдите по указанной в нём ссылке. • Учетная запись будет подтверждена и Вы войдёте в систему. • Теперь выберите заинтересовавший Вас курс (см. ниже). • Итак, теперь у Вас появился полный доступ к курсу. С этого момента для доступа к курсам, на которые Вы записались, Вам будет достаточно ввести логин и пароль (тот, что Вы указали заполняя форму).

Контрольная работа Название курса: ФИЗИКА ДЛЯ ППИ Поиск на сайте: Учебные курсы студентов / ► Учебные курсы кафедры физики и МОФ ► Физика для ППИ О контрольной работе: Контрольная работа состоит из 20 вопросов. У каждого студента будет 2 попытки написания теста. Критерии: 60 - 75% от максимально возможного количества баллов – «удовлетворительно» ; 76 - 90% – «хорошо» , 91% и более – «отлично» . Тест будет открыт после второго семинара, закрывается для доступа 27 мая 2015 г. Оценка за экзамен выставляется как среднее арифметическое между оценкой за доклад и за контрольную работу. УСПЕХОВ!