Физический взгляд на мир 42
Скачать 1.73 Mb.
|
| Важнейшая концепция современного естествознания заключается в материальном единстве всех систем микро-, макро- и мегамира, Можно говорить о единой материальной основе происхождения всех материальных систем на разных стадиях эволюции Вселенной. Свойства и особенности материальных объектов микро-, макро- и мегамира описываются разными теориями, принципами и законами. При объяснении процессов в микромире используются принципы и теории квантовой механики, квантовой статистики и т.п. Изучение объектов макросистем основано на законах и теориях классической механики Ньютона, термодинамики и статистической физики, классической электродинамики Максвелла. Вместе с тем многие понятия и концепции (энергия, импульс и др.), введенные в классической физике для описания свойств материальных объектов макромира, с успехом используются для объяснения процессов в микро- и мегамире. Движение планет Солнечной системы описывается законом всемирного тяготения и законами Кеплера. Происхождение и эволюция Вселенной объясняются на основании комплекса естественнонаучных знаний, включающих физику элементарных частиц, квантовую теорию поля, теорию относительности и т.п. Существенное различие между материальными объектами микро- и макромира заключаются в тождественности микрочастиц и индивидуальности макросистем. Для микрочастиц выполняется принцип тождественности: состояния системы частиц, получающиеся друг из друга перестановкой частиц местами, нельзя различить ни в каком эксперименте. Такие состояния рассматриваются как одно физическое состояние. Этот квантово-механический принцип характеризует одно из основных различий между классической и квантовой механикой. В квантовой механике тождественные частицы полностью лишены индивидуальности. В классической механике можно проследить за движением отдельных частиц по траекториям и таким образом отличить одну частицу от другой. В природе не существует двух совершенно одинаковых макросистем – все они индивидуальны. Фундаментальные физические законы описывают вполне определенные объекты вне зависимости от того, где они находятся. Например, с помощью законов сохранения энергии и импульса можно описать не только движение тел на Земле, но и взаимодействие элементарных частиц, и движение планет, звезд и т.п. Атомы везде одинаковы – на Земле и в космическом пространстве. Все это означает, что фундаментальные законы универсальны – они применимы к объектам всего мира, доступным нашим наблюдениям с помощью самых совершенных и чувствительных приборов. Универсальность фундаментальных законов подтверждается экспериментальными результатами многочисленных исследований различных свойств материальных объектов микро-, макро- и мегамира и свидетельствует о материальном единстве природы и Вселенной в целом. ПРИНЦИП ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ Важную роль в развитии естествознания сыграл принцип относительности, впервые сформулированный Галилео Галилеем для механического движения. Механическое движение относительно, и его характер зависит от системы отсчета. Система, в которой выполняется первый закон Ньютона, называется инерциальной системой отсчета. Такая система либо покоится, либо движется прямолинейно и равномерно относительно какой-то другой системы, неподвижной или движущейся прямолинейно и с постоянной скоростью. Опытным путем установлено, что с большой степенью точности инерциальной можно считать гелиоцентрическую (звездную) систему отсчета с началом координат в центре Солнца. Система отсчета, связанная с Землей, строго говоря, неинерциальна, так как Земля вращается вокруг собственной оси и обращается вокруг Солнца. Однако поправки, обусловленные неинерциальностью такой системы, пренебрежимо малы и не учитываются при решении многих задач. Если системы отсчета движутся относительно друг друга равномерно и прямолинейно и в одной из них справедливы законы динамики Ньютона, то такие системы инерциальные. Для инерциальных систем выполняется механический принцип относительности – принцип относительности Галилея: во всех инерциальных системах отсчета законы классической динамики имеют одинаковую форму. Этот принцип означает, что уравнения динамики при переходе от одной инерциальной системы к другой не изменяются, т.е. инвариантны по отношению к преобразованию координат. Никакими механическими опытами, проведенными в инерциальной системе отсчета, нельзя установить, покоится она или движется равномерно и прямолинейно. А. Пуанкаре распространил механический принцип относительности на все электромагнитные процессы, а А. Эйнштейн использовал его для специальной теории относительности, принципы которой он сформулировал в 1905 г. В обобщенном виде принцип относительности формулируется так: все инерциальные системы отсчета равноправны между собой (неотличимы друг от друга) в отношении протекания физических процессов или, другими словами, физические процессы не зависят от равномерного и прямолинейного движения системы отсчета. Вместе с принципом относительности в физике утвердились понятия инвариантности, инвариантов и симметрии, а также связь их с фундаментальными законами сохранения. Инвариантность означает неизменность физических величин или свойств природных объектов при переходе от одной системы отсчета к другой. В специальной теории относительности постулируется инвариантность законов природы и скорости света в вакууме. Законы природы и скорость света не изменяются в результате преобразований координат и времени, предложенных нидерландским физиком Х. Лоренцом (1853–1928) в 1904 г. (еще до появления специальной теории относительности), – преобразований, при которых уравнения Максвелла остаются инвариантными. Специальная теория относительности включает два постулата: 1) принцип относительности: никакие опыты (механические, электрические, оптические), проведенные в данной инерциальной системе отсчета, не дают возможности обнаружить, покоится ли эта система или движется равномерно и прямолинейно; все законы природы инвариантны по отношению к переходу от одной инерциальной системы к другой; 2) принцип инвариантности скорости света: скорость света в вакууме не зависит от скорости движения источников света или наблюдателя и одинакова во всех инерциальных системах отсчета. Специальная теория относительности выходит за рамки привычных классических представлений о пространстве и времени, поскольку они не соответствуют принципу постоянства скорости света. Пространство и время в ней носят не абсолютный, а относительный характер. Из специальной теории относительности следуют необычные пространственно-временные свойства: относительность длин и промежутков времени, относительность одновременности событий. Общая теория относительности, называемая иногда теорией тяготения, – результат развития специальной теории относительности. Из нее вытекает, что свойства пространства–времени зависят от поля тяготения. При переходе к космическим масштабам геометрия пространства-времени может изменяться от одной области к другой в зависимости от концентрации масс материальных объектов и их движения. В поле тяготения пространство-время обладает кривизной. Слабой кривизне соответствует обычная ньютоновская гравитация, определяющая, например, движение планет Солнечной системы. Однако в сильных гравитационных полях, создаваемых массивными космическими объектами, искривление пространства–времени становится существенным. Если подобного рода объект совершает колебательное или вращательное движение, кривизна периодически изменяется. Распространение таких изменений в пространстве рождает гравитационные волны. Аналогично тому, как электромагнитная волна, с квантово–механической точки зрения, представляет собой поток фотонов, квантование гравитационной волны соответствует гравитону – частице с нулевой массой покоя. Ни гравитационные волны, ни гравитоны экспериментально не обнаружены. Прием гравитационных волн и обнаружение гравитонов – одно из направлений фундаментальных естественнонаучных исследований гравитационно-волновой астрономии. СВОЙСВА ПРОСТРАНСТВА – ВРЕМЕНИ И ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ Вместе с принципом относительности в физике утвердились понятия инвариантности, инвариантов и симметрии, а также связь их с фундаментальными законами сохранения. Принцип относительности в классической механике означает, что во всех инерциальных системах все механические процессы происходят одинаковым образом. Принцип инвариантности формулируется так: смещение во времени и в пространстве не влияет на протекание физических процессов. Специальная теория относительности включает два постулата: 1) принцип относительности: никакие опыты (механические, электрические, оптические), проведенные в данной инерциальной системе отсчета, не дают возможности обнаружить, покоится ли эта система или движется равномерно и прямолинейно; все законы природы инвариантны по отношению к переходу от одной инерциальной системы к другой; 2) принцип инвариантности скорости света: скорость света в вакууме не зависит от скорости движения источников света или наблюдателя и одинакова во всех инерциальных системах отсчета. Инвариантность структуры, свойств, формы материального объекта относительно его преобразований называется симметрией. Пример пространственной симметрии материальных систем – кристаллическая структура твердых тел. Симметрия кристаллов – закономерность атомного строения, внешней формы и физических свойств кристаллов. Она заключается в том, что кристалл можно совместить с самим собой путем поворотов, отражений, параллельных переносов и других преобразований. Симметрия кристалла обусловлена симметрией его строения. Например, элементы симметрии присущи раковинам моллюсков. Орнамент, наверное, самое древнее изображение симметрии. Многие дикорастущие растения симметричны. С помощью математического моделирования можно продемонстрировать, например, довольно сложный характер взаимодействия электрона с ионами кристаллической решетки, где можно проследить зарождение симметричной структуры из хаотического движения. Из принципа инвариантности относительно сдвигов в пространстве и во времени следует симметрия пространства и времени, которая называется однородностью, соответственно, пространства и времени. Однородность пространства заключается в том, что при параллельном переносе в пространстве замкнутой системы тел, как целого, ее физические свойства и законы движения не изменяются, иными словами, не зависят от выбора положения начала координат инерциальной системы отсчета. Законы сохранения. При всем разнообразии и сложности процессов, протекающих в природе, существуют определенные физические величины, которые остаются постоянными, сохраняются при любых превращениях. В настоящее время физикам известно несколько законов сохранения. Некоторые из них были установлены давно. Еще М.В. Ломоносов (1711–1765), например, высказал мысль о сохранении движения следующим образом: «Все изменения, случающиеся в природе, происходят так, что если что-либо прибавится к чему-либо, то столько же отнимется от чего-либо другого… Так как этот закон всеобщ, то он простирается также на правила движения, и тело, побуждающее своим толчком другое к движению, столько же теряет своего движения, сколько сообщает другому, движимому им». Хотя законы сохранения во многих случаях не дают новой информации о явлениях и процессах, они занимают в физике очень важное место. Дело в том, что законы сохранения не зависят ни от характера движения тел, ни от действующих на них сил, поэтому на их основе можно делать самые общие и существенные выводы; например, из закона сохранения энергии следует важный вывод о невозможности создания вечного двигателя и др. (1) Закон сохранения импульса Для количественного описания движения тел используется понятие импульса. Импульс определяется произведением массы тела на его скорость. Из свойств однородности пространства следует закон сохранения импульса: импульс замкнутой системы сохраняется, т.е. не изменяется с течением времени; или, вектор импульса замкнутой системы тел есть величина постоянная. Этот закон справедлив не только для объектов классической физики (хотя он и получен как следствие законов Ньютона), но и для замкнутых систем микрочастиц, подчиняющихся принципам квантовой механики. Импульс сохраняется и для незамкнутой системы, если геометрическая сумма всех внешних сил равна нулю. (2) Закон сохранения энергии Окружающий нас мир существует в движении. Общей количественной мерой всех видов движения (материи) служит физическая величина, называемая энергией. Поэтому закон сохранения энергии – один из самых фундаментальных законов, управляющий всеми явлениями и процессами в природе. Имеется очень много форм движения, например, простое механическое перемещение тел, внутреннее движение молекул, распространение электромагнитных волн и т.д. Каждой определенной форме движения соответствует определенный вид энергии (механическая, внутренняя, электромагнитная). Говорят также, что энергия есть функция состояния. Это означает, что всякому состоянию тела или системы тел соответствует определенная величина энергии. Изменение состояний материальных объектов и переход одного вида движения в другой сопровождается непрерывным превращением форм энергии. Закон сохранения энергии утверждает, что полная энергия замкнутой системы постоянна. Рассмотрим подробнее вопрос о механической энергии. С механической энергией тесто связано понятие работы. В классической механике работа определяется как мера действия силы, которая зависит от величины и направления силы, а также от перемещения точки ее приложения. Нетрудно показать, что работа, совершенная над телом, равна изменению его энергии. Таким образом, мерой изменения энергии является работа. Если на тело действует только единственная сила, то ее работа будет равна приращению кинетической энергии тела. Кинетической называется механическая энергия материальной точки, зависящая от ее скорости. Она определяется как половина произведения массы точки на квадрат ее скорости. Если же на тело (материальную точку) действует несколько сил, то работа одной из сил приведет к изменению не только кинетической, но и потенциальной энергии. |
Похожие:
 | I. физический взгляд на мир (продолжение) квантовые представления... Это мир предельно малых, непосредственно ненаблюдаемых микрообъектов, размеры которых составляют от 10-8 до 10-16 см, а время их... |  | Н. В. Голдобиной Школы, как и люди: у каждой своё лицо, свой взгляд... С первых минут жизни человек попадает в большой и удивительный мир, в котором предстоит разобраться, что-то познать и постичь. Школа... |
| Реферат по предмету Информатика на тему: цифровые матрицы в фотокамерах Например: от объектива, качества электроники, размера матрицы и т д. Но, на мой взгляд, самым важным фактором, который влияет на... | | Реферат по предмету Информатика на тему: цифровые матрицы в фотокамерах Например: от объектива, качества электроники, размера матрицы и т д. Но, на мой взгляд, самым важным фактором, который влияет на... |
| Каждая выставка – это взгляд на мир человека, подготовившего ее В ряду различных форм рекламы книги, популяризации книжного фонда, выставки занимают особое место | | Шаблон рабочей программы дисциплины Общий физический практикум Лекторы Общий Физический Практикум является неотъемлемой частью курса "Общая Физика". Основные разделы: механика; молекулярная физика; электродинамика;... |
| Конспект урока по теме: «Изображение Отечественной войны 1812 года... «Изображение Отечественной войны 1812 года в романе Л. Н. Толстого «Война и мир». Взгляд Толстого на историю» | | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Уметь анализировать язык разных видов искусства: литературы, живописи и музыки, обнаружить поэтический взгляд на мир в прозаическом... |
| Я улыбнулась и потянулась. Ммм, утро. Пора вставать. Интересно, а что это за шум? Дрожащей рукой я провела по украшениям и, не в силах что-либо сказать, подняла на родителей увлажнившийся взгляд взгляд не может... | | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Учитель географии. Наш мир устроен очень гармонично. Все в нем взаимосвязано. Сегодня мы попробуем объединить два таких разных, на... |
| План Введение. Как зарождалась культура Руси Письменность, грамотность, школы Летописи В понятие культуры входит, естественно, все, что создано умом, талантом, рукоделием народа, все, что выражает его духовную сущность,... | | Программа индивидуального развития ребёнка Счастливый человек оптимистично, открыто, уверенно смотрит на мир; принимает его с радостью. Он любит свою семью, и многое делает... |
| Темы Вашего учебного проекта На наш взгляд в настоящее время эти вопросы являются более актуальными не только для социологов, но и для общественности. Более точное... | | Программа окружающий мир плешаков «мир вокруг нас» Учебный курс «Окружающий мир» («Мир вокруг нас») преподается в 1—4 классах четырехлетней начальной школы |
| «Путешествие в мир природы и мир поэзии» Анализ темы Целью данного урока является формирование у учащихся средствами литературы способности понимать себя и окружающий мир | | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Необходимо вникнуть в душевный мир ребенка, понять его способ мышления, его взгляд на вещи. Этот процесс сложен и индивидуален. Здесь... |
