Учебно-методический комплекс дисциплины «Концепции современного естествознания»
Скачать 3.23 Mb.
|
Вопросы для самопроверки:
Лекция 12. Состояние, принципы суперпозиции, неопределенности, дополнительности Вопросы для рассмотрения: Понятие принципа суперпозиции. Пример принципа суперпозиции. Принцип дополнительности. Принцип неопределенности В. Гейзенберга. Принцип суперпозиции Этот принцип также имеет большое значение в физике и особенно в квантовой механике. Принцип суперпозиции (наложения) – это допущение, согласно которому результирующий эффект представляет собой сумму эффектов, вызываемых каждым воздействующим явлением в отдельности .Одним из простых примеров принципа суперпозиции является правило параллелограмма, в соответствии с которым складываются две силы, воздействующие на тело. Этот принцип выполняется при условии, когда воздействующие явления не влияют друг на друга. Встречный ветер тормозит движение автомобиля по закону параллелограмма - здесь принцип суперпозиции выполняется полностью. Но если песок, поднятый ветром, ухудшит работу двигателя, то в данном случае принцип суперпозиции выполняться не будет. Вообще в ньютоновской физике этот принцип не универсален и во многих случаях справедлив лишь приближенно. В микромире, наоборот, принцип суперпозиции – фундаментальный принцип, который наряду с принципом неопределенности составляет основу математического аппарата квантовой механики. Но, к сожалению, в квантовой теории этот принцип лишен той наглядности, которая характерна для механики Ньютона. Принцип суперпозиции утверждает: если система может находиться в одном из квантовых состояний, то она может находиться и в состоянии, являющемся линейной комбинацией этих состояний. Подобное утверждение интерпретируется следующим образом: пока не проведено измерение, бессмысленно спрашивать, в каком состоянии находится физическая система. Иными словами, до измерения система находится в суперпозиции двух возможных состояний, то есть ее состояние неопределенно. Акт измерения переводит физическую систему скачком в одно из этих состояний. Таким образом, в квантовой механике в суперпозиции складываются альтернативные, взаимоисключающие друг друга, с классической точки зрения, состояния. Принцип дополнительности Принцип дополнительности возник из попыток осознать причину появления противоречивых наглядных образов, которые приходится связывать с объектами микромира. Он является основополагающим в современной физике. В ряде экспериментов электрон и другие элементарные частицы обнаруживают корпускулярные свойства, то есть свойства частиц. Любое устройство для детектирования микрообъектов всегда регистрирует их как нечто целое, локализованное в очень малой области пространства. С другой стороны, при движении все микрочастицы обнаруживают типичные волновые свойства. Наблюдается интерференция и дифракция частиц на кристаллических решетках или искусственно созданных препятствиях. Электроны и другие частицы ведут себя подобно волнац, огибающим препятствия, и одновременно проходят через несколько щелей дифракционной решетки. Таким образом, всем микрообъектам присущ корпускулярно-волновой дуализм. Общий ответ на вопрос о том, каким образом эти противоречивые свойства совмещаются у одного объекта, был дан Н. Бором в 1927 г. Прежде всего Бор обратил внимание на то, что все предметы и явления, которые мы видим вокруг себя и, конечно, измерительные приборы для регистрации элементарных частиц состоят из огромного множества микрочастиц. Иными словами, они являются макроскопическими системами, ничем иным они быть не могут. Сам человек – существо макроскопическое. Поэтому наши органы чувств не воспринимают микропроцессов. Понятия, которыми мы пользуемся для описания предметов и явлений окружающего мира, это макроскопические понятия. С их помощью можно легко описать любые физические процессы, проходящие в макромире. Но применить эти понятия для описания микрообъектов полностью нельзя, так как они не адекватны процессам микромира. Но других понятий у нас нет и быть не может. Поэтому, чтобы компенсировать неадекватность нашего восприятия и представления об объектах микромира, нам приходится применять два дополняющих друг друга набора понятий. Эти понятия – частицы и волны. Только в совокупности они дают исчерпывающую информацию о квантовых явлениях. Принцип дополнительности рассматривался Н. Бором не только в узком физическом смысле, но и с общефилософской точки зрения. Понятия, выработанные в науке, отражают лишь отдельные стороны реальных предметов, явлений и процессов. Таким образом, одно понятие способно отразить только часть истины. Но, собрав эти на первый взгляд противоречащие друг другу понятия, можно получить достаточно полную картину объекта. Принцип неопределенности В. Гейзенберга Принцип неопределенности является частным выражением принципа дополнительности. Этот принцип наглядно иллюстрирует отличие квантовой теории от классической механики. Говоря о частице, мы представляем себе комочек вещества, находящийся в данный момент в определенном месте, обладающий определенной энергией и движущийся со строго определенной скоростью. При этом мы допускаем, что можно абсолютно точно знать координаты, импульс и энергию частицы в любой момент времени. Однако, связывая частицу с волной, мы переходим к образу неограниченной синусоиды, простирающейся во всем пространстве. И понятия «длина волны в данной точке», «импульс в данной точке», «энергия в данный момент времени» просто не имеют смысла. Утверждение, что электрон лишь приближенно может рассматриваться как материальная точка, означает, что его координаты, импульс и энергия могут быть заданы лишь приблизительно. Количественно это выражается соотношением неопределенностей Гейзенберга, Согласно этому принципу, чем точнее фиксирован импульс, тем большая неопределенность будет в значении координаты, и наоборот. Так же соотносятся энергия и время. Точность измерения энергии обратно пропорциональна длительности процесса измерения. Причина этого кроется во взаимодействии прибора с объектом измерения. Принцип неопределенности показывает, почему невозможно падение электрона на ядро атома. Ядро атома имеет очень малые размеры, и при падении электрона его местоположение оказалось бы известно достаточно точно. Следовательно, резко увеличивается неопределенность в скорости электрона, разброс в значении скоростей стал бы очень большим. Эта «вилка» скоростей должна была бы включать столь большие скорости, что электрон скорее покинул бы атом, чем упал на ядро. Вопросы для самопроверки:
Лекция 13. Динамические и статистические закономерности в природе Вопросы для рассмотрения: Динамические законы. Законы статистического характера. Своеобразным отображением диалектичности явлений и процессов природы является раскрытие динамических и статистических закономерностей в природе. Прежде чем обратиться к характеристике этих закономерностей, необходимо еще раз указать на наличие в природе объектов микро- и макромира. Кратко напомним, что микромир – это мир мельчайших частиц (молекул, атомов и т.д.), а макромир – это мир крупных тел, состоящих из множества мельчайших частиц. В результате изучения движения микро- и макросистем в природе были выявлены многие закономерности протекания этих процессов. Изучением движения макросистем занимается раздел механики динамика. Классическая динамика базируется на 3-х основных законах ньютоновской механики. Используя эти законы, динамика способна решить задачи по определению силы, под действием которой происходит движение тела, если известен закон движения данного тела, а также определить закон движения тела, если известны силы, действующие на него. Динамические законы приложимы к исследованию движения всех объектов макромира: твердым, жидким и газообразным телам, упругим и деформируемым, к телам переменной массы. Движение микрочастиц исследуется в квантовой механике, которая показала, что, в противоположность объектам макромира, к объектам микромира законы динамики неприложимы. Было установлено, что при движении одинаковые частицы в одинаковых условиях могут вести себя по-разному. Для описания движения частиц требуется применение вероятностных представлений. Так, если мы поставим эксперимент с двумя отверстиями, через которые проходит электрон, то нельзя точно сказать, через какое отверстие он пройдет, но если их много, то можно предположить, что часть пройдет через одно, часть - через другое. Поэтому законы квантовой механики, законы, описывающие движение частиц, – это законы статистического характера. В своей работе “Эволюция физики” А. Эйнштейн и Л. Инфельд указывали, что “…мы можем предсказать, сколько атомов (радиоактивного вещества) распадутся в следующие полчаса, но мы не можем сказать… почему именно эти отдельные атомы обречены на гибель…”. В микромире господствуют статистические законы, которые можно применять только к большим совокупностям, но не к отдельным индивидуумам. Квантовая механика отказывается от поиска индивидуальных законов элементарных частиц и устанавливает статистические законы. Свойственные для объектов микромира статистические закономерности, а для объектов макромира динамические закономерности ярко демонстрируют диалектический характер развития природных явлений и процессов. Кроме того, раскрытие статистических и динамических закономерностей демонстрирует диалектическую связь между случайным и необходимым. В классической динамике фактор случайности не принимается во внимание, ибо не оказывает существенного влияния на ход процессов. Законы классической динамики считались детерминистскими законами, т.е. обеспечивающими точные и достоверные предсказания. В действительности же необходимость возникает как результат взаимодействия многих случайностей, о чем свидетельствуют статистические законы. Таким образом, можно сказать, что строго детерминистских законов не может существовать, поскольку из-за отвлечения от второстепенных факторов результаты будут лишь в той или иной мере приближаться к истинным, но не полностью им соответствовать. Упрощение и схематизация возможны лишь при изучении простейших форм движения. При переходе к исследованию сложных систем, состоящих из большого числа элементов, индивидуальное поведение которых не поддается описанию, необходимо обращаться к статистическим законам, опирающимся на вероятностные предсказания. В результате в новой картине мира необходимость и случайность выступают как взаимосвязанные и дополняющие друг друга его аспекты. Вопросы для самопроверки:
Лекция 14. Законы сохранения энергии в макроскопических процессах, принцип возрастания энтропии Вопросы для рассмотрения: Термодинамика. Положения закона сохранения энергии. Формулировки закона сохранения и превращения энергии. Исследования ученых. Первый закон термодинамики. Второй закон термодинамики. Принцип возрастания энтропии. Гипотеза «тепловой смерти». Принцип минимума диссипации энергии. Когда мы говорим о сохранении энергии в макроскопических процессах, прежде всего имеем в виду механическую, тепловую и внутреннюю энергии, которые зависят от термодинамического состояния. Следует отметить, что для макроскопических систем энергия не является непосредственно измеряемой величиной. Термодинамика позволяет с точностью до некоторой неопределенной постоянной вычислить эту величину из опытных данных. Для этого следует учесть теплообмен системы с окружающей средой и измерить работу, совершаемую системой. Наиболее важные положения, на которых строится закон сохранения энергии в макроскопических процессах: 1. Энергия – единая мера различных форм движения материи. Механическая энергия и тепловая энергия – только две из многих форм энергии. Все, что может быть превращено в какую-либо из этих форм, тоже форма энергии. 2. Возможны два качественно различных способа передачи энергии от одного макроскопического тела к другому – в форме работы и в форме теплоты (путем теплообмена). Макроскопическое тело рассматривается при этом как огромная совокупность микрочастиц. При взаимодействии незначительного числа отдельных микрочастиц эти понятия неприменимы. 4. Изменение энергии тела, осуществленное первым способом, называют работой, совершаемой над этим телом. Передача энергии в форме работы производится в процессе силового взаимодействия тел. Работа, совершаемая над телом, может пойти на увеличение любого вида энергии. Понятие работы связано с упорядоченным движением. 5. Передача энергии путем теплообмена между телами обусловлена различием температур этих тел. Энергия, получаемая телом в форме теплоты, может непосредственно пойти только на увеличение его внутренней энергии. Понятие теплоты связано с неупорядоченным, хаотическим движением. Формулировки закона сохранения и превращения энергии: – энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает, количество энергии неизменно, она только переходит из одной формы в другую; – при любых процессах, происходящих в замкнутой системе, ее полная энергия не изменяется. Экспериментальная проверка этого закона связана с именами многих ученых. Гесс (1840) количественно исследовал для разных реакций переходы химической энергии в тепловую. Независимо друг от друга Джоуль (1841) и Ленц (1842) дали формулировку закона сохранения и превращения энергии для случая перехода электрической энергии в тепловую: количество теплоты, выделяемое током в проводнике, пропорционально силе тока, времени его прохождения и падению напряжения. Майер (1842) впервые высказал принцип эквивалентного взаимопревращения теплоты и работы. Для доказательства этого принципа решающее значение имели опыты Джоуля (1843), измерившего механический эквивалент теплоты, и исследования Гельмгольца "О сохранении силы" (1847). Первый закон (начало) термодинамики Первый закон термодинамики является законом сохранения энергии применительно к тепловым процессам. Этот закон утверждает: – невозможно создать вечный двигатель первого рода, который бы производил работу без подведения энергии; – тепловая энергия, подведенная к замкнутой системе, расходуется на увеличение ее внутренней энергии и работу против внешних сил. Согласно первому закону термодинамики, могут протекать только такие процессы, при которых полная энергия системы остается постоянной. Например, полное превращение тепловой энергии в механическую не связано с нарушением первого закона термодинамики, но тем не менее оно невозможно. Второй закон термодинамики еще больше ограничивает возможности процессов превращения. Второй закон (начало) термодинамики Второй закон термодинамики утверждает: – не может быть создан вечный двигатель второго рода, который бы производил работу за счет тепла окружающей среды, без каких-либо изменений в окружающих телах; – в природе не может быть процессов, единственным результатом которых было бы превращение теплоты в работу; – во всех явлениях природы теплота сама переходит от более нагретых тел к менее нагретым телам. Работу всегда можно превратить в эквивалентное ей тепло (вспомните, как наши предки добывали огонь трением). В то же время тепло в эквивалентную ему работу полностью превратить нельзя. Другими словами, неупорядоченную форму энергии невозможно полностью перевести в упорядоченную. Мерой неупорядоченности, мерой хаоса в термодинамике является энтропия. Энтропия не бывает отрицательной, она всегда положительна, за исключением случая, когда идеальный кристалл находится при абсолютном нуле температуры. Но на этот счет есть третье начало термодинамики, говорящее о недостижимости абсолютного нуля. Принцип возрастания энтропии Если система замкнута и невозможны никакие ее самопроизвольные превращения, то энтропия достигает максимума. Состояние с наибольшей энтропией соответствует статическому равновесию. Энтропия является мерой вероятности осуществления данного термодинамического состояния или мерой отклонения системы от статического равновесия. Второй закон термодинамики можно сформулировать как закон, согласно которому энтропия изолированной системы (то есть системы, не обменивающейся энергией с окружающей средой) будет увеличиваться при необратимых процессах или оставаться постоянной, если процессы обратимы. Это положение касается только изолированных систем. Таким образом, в соответствии со вторым началом термодинамики, в случае изолированной системы неупорядоченное состояние не может самостоятельно перейти в упорядоченное. При нагревании тела энтропия увеличивается, растет степень неупорядоченности. В изолированной системе энтропия может только расти. Принцип возрастания энтропии – важнейший принцип термодинамики. Он соответствует стремлению любой системы к состоянию термодинамического равновесия, которое можно отождествить с хаосом. Из этого принципа следует идея "тепловой смерти" Вселенной. Раз все виды энергии деградируют, превращаясь в тепло, то когда-нибудь закончат свое существование звезды, отдав свою энергию в окружающее пространство, и Вселенная придет в самое простое состояние хаоса – термодинамического равновесия с температурой лишь на несколько градусов выше абсолютного нуля. Не будет источников энергии – не будет жизни, не будет ничего. Гипотеза "тепловой смерти" не согласуется с наблюдениями над Вселенной в ее современном состоянии, а также с выводами, которые можно сделать из известного нам прошлого. Наблюдается непрерывный рост разнообразия, эволюция в направлении возникновения более сложных форм. Основные причины формирования звезд, галактик, планет – флуктуации плотности материи и гравитационное взаимодействие. В этой связи многие физики-теоретики считают, что в соответствии с общей теорией относительности Вселенная должна рассматриваться "не как замкнутая система, а как система, находящаяся в переменном гравитационном поле; в связи с этим применение закона возрастания энтропии не приводит к выводу о необходимости статического равновесия". Трудности термодинамического характера до сих пор не решены и в вопросе происхождения жизни. Существует точка зрения, что второй закон термодинамики не применим к живым системам, так как они не являются замкнутыми системами. Живые системы – это открытые системы. Энтропия живых молекул весьма низка и имеет тенденцию к понижению. Этот факт сегодня является общепризнанным. Асимметрия жизни не есть состояние нарушения равновесия, отсутствия структурности или беспорядка, а есть состояние динамического равновесия и упорядоченности, более сложной структурности и более высокого энергетического уровня. Это то самое крайне маловероятное состояние, которое заставляет усомниться в абсолютности знания. Принцип минимума диссипации энергии В мировом процессе развития принцип минимума диссипации энергии играет особую роль. Суть его: если допустимо не единственное состояние системы, а целая совокупность состояний, согласных с законами сохранения и принципами, а также связями, наложенными на систему, то реализуется то состояние, которому соответствует минимальное рассеивание энергии, или, то же самое, минимальный рост энтропии. Принцип минимума диссипации энергии является частным случаем более общего принципа "экономии энтропии". В природе все время возникают структуры, в которых энтропия не только не растет, но и локально уменьшается. Этим свойством обладают многие открытые системы, в том числе и живые, где за счет притока извне вещества и энергии возникают так называемые квазистационарные (стабильные) состояния. Таким образом, если в данных конкретных условиях возможны несколько типов организации материи, согласующихся с другими принципами отбора, то реализуется та структура, которой соответствует минимальный рост энтропии. Так как убывание энтропии возможно только за счет поглощения внешней энергии, то реализуются те из возможных форм организации материи, которые способны максимально поглощать энергию. Область применения принципа минимума диссипации энергии непрерывно расширяется. На протяжении всей истории человечества стремление овладеть источниками энергии и вещества было одним из важнейших стимулов развития и устремления человеческих интересов. И поэтому всегда было источником разнообразных конфликтов. По мере развертывания научно-технического прогресса, истощения природных ресурсов возникает тенденция к экономному расходованию этих ресурсов, возникновению безотходных технологий, развитию производства, требующего небольших энергозатрат и материалов. Если говорить об иерархии то принцип минимума диссипации энергии играет роль как бы завершающего, замыкающего принципа. Когда другие принципы не выделяют единственного устойчивого состояния, а определяют целое их множество, этот принцип служит дополнительным принципом отбора. Проблема экономии энтропии, этой меры разрушения организации и необратимого рассеяния энергии, решается в мире живой природы. Существует теорема о минимуме воспроизводства энтропии, которая утверждает, что производство энтропии системой, находящейся в стационарном состоянии, достаточно близком к равновесному состоянию, минимально. Этот принцип можно рассматривать в качестве универсального. В живом веществе он проявляется не как закон, а как тенденция. В живой природе противоречие между тенденцией к локальной стабильности и стремлением в максимальной степени использовать внешнюю энергию и материю является одним из важнейших факторов создания новых форм организации материального мира. |
Похожие:
 | Учебно-методический комплекс по дисциплине Концепции современного... Учебно-методический комплекс по дисциплине «Концепции современного естествознания» составлен в соответствии с требованиями Государственного... | | Учебно-методический комплекс на модульной основе дисциплины «концепции... Целью курса «Концепции современного естествознания» является обеспечение фундаментальности и целостности высшего образования, что,... |
| Пояснительная записка требования гос к уровню знаний, умений и навыков,... Т. В. Сазанова. Концепции современного естествознания: Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для студентов озо специальности... |  | Рабочая программа составлена в соответствии с требованиями гос впо... Дубов В. П. Концепции современного естествознания. Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для студентов специальности 032001.... |
| Учебно-методический комплекс дисциплины «Концепции современного естествознания» Учебно-методический комплекс составлен на основании требований государственного образовательного стандарта высшего профессионального... | | Учебно-методический комплекс дисциплины «концепции современного естествознания» Учебно-методический комплекс составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего профессионального... |
| Учебно-методический комплекс дисциплины «концепции современного естествознания» Учебно-методический комплекс составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего профессионального... | | Учебно-методический комплекс дисциплины «концепции современного естествознания» Учебно-методический комплекс составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего профессионального... |
| Учебно-методический комплекс дисциплины «концепции современного естествознания» Учебно-методический комплекс составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего профессионального... | | Учебно-методический комплекс дисциплины «концепции современного естествознания» Учебно-методический комплекс дисциплины составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего... |
| Учебно-методический комплекс дисциплины Протокол согласования рабочей программы дисциплины «Концепции современного естествознания» | | Учебно-методический комплекс дисциплины концепции современного естествознания... ... |
| Учебно-методический комплекс дисциплины «концепции современного естествознания» Учебно-методический комплекс дисциплины составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего... | | Учебно-методический комплекс дисциплины «концепции современного естествознания» Учебно-методический комплекс составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего профессионального... |
| Учебно-методический комплекс дисциплины «Концепции современного естествознания» Контрольный экземпляр находится на кафедре биохимии, микробиологии и биотехнологии | | Рабочая программа дисциплины концепции современного естествознания... Рабочая программа учебной дисциплины «Концепции современного естествознания» подготовлена Голигузовым Д. В., к ф н., доцентом кафедры... |
