Методология естествознания. Понятие естествознания. Составные части естествознания. Естествознания
 Скачать 86.6 Kb.
|
|
Механистическая картина мира (МКМ). Её основные понятия, законы и принципы. Представление о материи. Описывается в рамках теории Демокрита (атомистической). Представление о пространстве. По Ньютону пространство трехмерно, описывается законами геометрии Евклида. Существует физическое пространство и абсолютное. Абсолютное пространство – это пустое вместилище физических тел. Понятие время. По Ньютону также существует физическое время, измеряющееся в Ньютон часах и существует абсолютное время (время, называется длительностью, равномерное течение, равномерное время, которое не зависит от пространства и материи). Свойства пространства – пространство трехмерно. Непрерывно, бесконечно, однородно и изотопно (выписать понятие все этих понятий). Представление о движении: В рамках механистической теории мира описывается 3 законами Ньютона и законом Всемирного тяготения. Любое сложное движение можно представить как сумму простых. Понятие взаимодействия – это механизм, способ передачи действия, в рамка МКМ. Взаимодействие описывается в рамках теории дальнодействия. то представление, по которому действие передается мгновенно через пустоту на любое расстояние. Концепция познаваемости мира. У Ньютона существует концепция «абсолютной истины». Знание об объекте не зависит от свойств познающего субъекта. Рождение науки об электричестве. Поэтому смотрим основные ключи: Парадигмальной картиной мира является МКМ. Начало 19 столетия ознаменовалось открытиями в области электричества и магнетизма: Ханс Крестьян Эрстед, датский физик, 1820 года, открывает магнитную теорию проводников с током. Показывает, что силовые линии магнитного поля замкнуты. Направления силовых линий определяется по правилу «винта». Он также вводит понятие «напряженность» магнитного поля. Определяется Н. Андре Альпьер, математик, химик, ввел понятие «электродинамика». Теория электромагнитных явлений, выведенных непосредственно из тока. Создал теорию магнетизма на основе гипотезы молекулярных токов. 1826 год, ученый Симон Ом, который открывает «закон Ома». Сила тока = напряжение, деленное на сопротивление. Следующий этап – 1841 год, независимо друг от друга Джеймс Джоуль и Х. Ленц открывают следующие закономерности – Закон Джоуля-Ленца, который связывает теплоту проводника, при прохождении электрического тока, прямо пропорционально силе тока и времени пропускания. 1821 год Майкл Фарадей перед собой, как перед естествоиспытателем, ставит задачу превратить магнетизм в электричество. На решение этой проблемы потребовалось 10 лет. Он открывает закон электромагнитной индукции, суть которого сводится к следующему, возникновение тока в проводнике вблизи движущегося магнита. В 1832 году Фарадей запатентовал за собой открытие электромагнитных волн. Следующий Джеймс Максвелл 1831-1879 годы. Знаменит тем, что создает теорию электромагнитного поля. Он вычислял, что электромагнитное поле должно иметь электромагнитные волны. Свет – это одна из разновидностей электромагнитных волн. Необходимо экспериментальное подтверждение существования электромагнитных волн в 1888 год, немецкий физик Генрих Герц впервые осуществил передачу электромагнитных волн большой длины. К конце 19 века физики выдвинули теорию, что материя существует 2 видов: 1) Дискретного вещества 2) Непрерывного поля. Различия между веществом полем. Различия между веществом и полем сил: 1) Различают как корпускулярные, так волновые сущности. Вещество состоит из неделимых атомов и дискретно. Поле – энергия, непрерывно. 2) Различают по физическим характеристикам: Частицы вещества обладают массой покоя. Частицы поля не обладают массой покоя. 3) Различают по степени проницаемости. Вещество слабопроницаемо. Поле проницаемо полностью. 4) По скорости движения, распространения. Вещество движется со скоростями, значительно меньшими скорости света. Поле перемещается со скоростью света. 3) Теория относительности. Мост между механикой и электромагнетизмом. 1905 год – служащий Швейцарского патентного бюро, Альберт Эйнштейн, выпускает работу: «К электродинамике движущихся тел». В этой работе было сформулировано 2 основных постулата СТО: 1) Все инерциальные системы отсчета эквивалентны друг другу в отношении постановки в них любых физических экспериментов (механических, электромагнитных, тепловых, оптических). 2) Скорость света в вакууме не зависит от движения источника или наблюдателя, одинакова во всех инерциальных системах отсчета и является максимальной скоростью передачи любого сигнала. Следствия из СТО: 1) Изменяется закон сложения скоростей, а именно, если в классической механике В = В1+В2, а в релятивистской механике следующий вид : (формула). Путешествует со скоростями близкими, к скорости света. 2) Влияние скорости движения объекта на массу тела. С увеличением скорости движения объекта, увеличивается его масса тела, в соответствии со следующим выражением. Формула. Чем больше скорость, тем больше масса. 3) Относительность промежутка времени. Время зависит от скорости движения систем. Чем вые скорость движения систем, тем медленнее течет время. Соотношение следующее: (формула). Эффект близнецов. 4) С увеличением скорости движение происходит замедление времени. 5) Взаимосвязь массы и энергии. Энергия есть мера массы. Е=МС в квадрате. 1916 год - теория, которая базируется на принципе эквивалентности. F=масса * на ускорение. Масса, в данной формуле, есть инертная масса. Инертная масса – это мера сопротивления тел любому сопротивления тела любому изменению состояния его движения. В закон всемирного тяготения входит гравитационная масса. Исходя из того, что в гравитационным поле все тела, независимо от их массы имеют одно ускорение (ускорение свободного падения). Следовательно, инертная масса равна не инертной, при наличии гравитационного поля. Гравитационное поле – эквивалентно не инерциальной системе отсчета. Следствия из принципа эквивалентности: 1) Отклонение лучей светов (фотонов) в гравитационном поле. Иными словами, свет, испускаемый тяготеющей массой, должен испытывать «красное смещение» (это смещение в длинноволновую часть спектра). Смещения линий света называется «красным смещением». Экспериментальное подтверждение данного вывода было получено в 1919 году, а именно 29 мая, в момент полного солнечного затмения, был измерен угол отклонения света в гравитационном поле Солнца сэром Артуром Эддингтоном. Оказалось, что разница составляет всего лишь несколько секунд, отсюда следует, что выводы общей теории относительности получили экспериментальное подтверждение. А значит, луч света, обладающий инертной массой (а значит и гравитационной), искривляется в поле тяготения. Отсюда вывод о том, что пространство, время, материя тесно связаны между собой. Из СТО следует, что пространство и время связаны между собой, то здесь добавляется еще и материя. Свойства пространства времени, которые стали наделять: 1) Пространство и время – объективны и реальны. 2) Пространство 3-мерно. 3) Время одномерно и течет только в одну сторону. 4) Пространство однородно и изотопно, а время только однородно. 1919 году немецкий математик Э. Неттер устанавливает взаимосвязь между свойства пространства времени и основными законами сохранения физики. Симметрии в природе. Законы сохранения. 1) Из свойства симметрии пространства - однородность пространства вытекает закон сохранения импульса. Это следует из свойства пространства как однородность. 2) Из свойства симметрии однородность времени вытекает закон сохранения механической энергии. 3) Из изотопности пространства вытекает закон сохранения момента импульса. Микромир. Концепции современной физики. Фундаментальные открытия в области физики на рубеже 19-20 столетия. 1895 года Джозеф Джон Томпсон открывает электрон, входящий в состав всех атомов. Элементарная частица электрон имеет условный заряд = -1. Масса электрона порядка 10 в минус 30 степени килограмма. 1896 год Антуан Анри Беккере открывает естественную радиоактивность Урана. А годом позже С. Монре-кьюри атом радиоактивного элемента превращается в атом другого элемента в результате радиоактивного излучения. Вывод: В конце 19 столетия физикам стало ясно, что атом – частица делимая. Атом имеет сложную. структуру. 2) Развитие представлений о квантах. Рубеж эпох 19-20 столетия немецкий физик Макс Планк 14 декабря 1900 году – электрон поглощается и излучается не непрерывно, а отдельными порциями – квантами. Энергия каждого кванта равняется «Аш умноженное на Нью». Нью – это частота излучения. Величина обратно пропорциональная длине волны. Аш – это третья фундаментальная константа (Постоянная Планка).6,1* 10 в минус 34 степени Джоуль* на секунду. 1905 год – А. Эйнштейн выдвигает 2 основных постулата, которые положены в основу квантовой теории света. А именно: 1) Свет – это постоянно распространяющееся в пространстве волновое явление (волновая природа света экспериментально подтверждается явлениями дифракции и интерференциями). 2) Свет – имеет прерывистую структуру (корпускулярную), представляет собой поток фотонов, позиционирующиеся как «зёрна света». Корпускулярная структура света подтверждается явлением фотоэлектрического эффекта. Фотоэффект – это физическое явление в выбивании электрона из вещества под действием электромагнитных волн. 3) Корпускулярно-волновой дуализм. 1924 год – начало 20 столетия, Французский физик Луи Деброй выдвигает смелейшую гипотезу, суть которой: волновые свойства, наряду с корпускулярными, присущи всем видам материи (электрон, протон, атом, молекула и даже макроскопические тела). Его посчитали сумасшедшим, но в 1927 году было получено эмпирическое подтверждение гипотезы Деброя. Лестер Девисон открывает явление дифракции электрона. Электроны – материальные частицы. Годом позже, 1928 году были обнаружены – дифракции нейтронов, протонов. Сегодня говорим, что все макроскопические тела обладают биополями. 4) Соотношение неопределенностей и границы применимости классической механики. Связан с открытия Вернера Вейзенберга 1827 год. Делает следующее открытие: Для объектов микромира никогда нельзя одновременно определить значение координаты и импульса микрочастицы. Неопределенность координаты больше либо равно постоянной Планка. Принцип дополнительности Нильса Бора. В истории естествознания вошел из-за открытия в 1924 году, что для полного описания квантово-механических явлений необходимо применять 2 взаимоисключающих классических понятий: 1) Понятия волны. 2) Понятия частицы. Данный принцип имеет общее методологическое значение. Для того, чтобы иметь описать любой объект материального мира (иметь целостную картину), 2 взаимоисключающих классических понятия. Например, человек: Что такое человек? Человек часть социума и человек представитель животного мира. 5) Эволюции представлений о строении атома. Как только стало понятно, что атом – частица делимая. То первая модель была предложена Д. Томпсоном. Границы атома хаотично разбросаны. Данная модель просуществовала недолго. 1911 год – Э. Резерфорд предлагает планетарную модель строения атома. Положительно заряженный атом в раках данной модели находится в центре атома, а вокруг него как планеты вокруг Солнца движутся отрицательно заряженные электроны. Но данная модель не состоятельна с точки зрения классической электродинамики так как: 1) С точки зрения классической электродинамики, разноименно заряженные притягиваются и если представить себе позицию Резерфорда, то отрицательные электроны должны притягиваться друг к другу и время существования такого атома 10 в минус 8 степени секунды. То есть атом должен быть нестабильным, а физики знают, что атом стабилен. 2) К началу 20 века физики имели спектр атомов, который имеет линейчатую структуру. А если предположить, что модель как у Резерфорда – электрон должен излучать постоянно. Из теории Резерфорда следует, что спектр должен иметь сплошной характер, а реально имеет полосатую структуру. Отсюда следует, что теория Резерфорда неверно отражает действительность и, безусловно, на смену ей приходит другая: 1913 году были сформулированы основные положения квантовой модели строения атома: Базируется на 2 постулатах: 1) В атоме существуют стационарные орбиты, двигаясь по которым, электрон не излучает и не поглощает энергии. 2) При переходе электрона из одного стационарного состояния в другое, атом поглощает, излучает (поглощает) квант энергии. Энергия кванта равняется «Аш умноженная на Нью». Классификация элементарных частиц: На сегодняшний день физикам известно более 360 элементарных частиц. Элементарные частицы классифицируют по: 1) Массе: 1) легкие (лептоны). Масса лептонов приблизительно равна массе электрона. К лептону относится электрон, нейтрино, мюон. 2) Средние элементарные частицы (Мезоны). Масса Мезонов лежит в диапазоне от 1 до 1000 масс покоя электрона. Относят все частицы – переносчики взаимодействия. 3) Тяжелые элементарные частицы (Барионы). Масса барионов значительно больше 1000 масс покоя электрона. Например, адроны. 2) Время жизни. Выделяют: 1) Стабильные. Короткоживущие. К стабильным относятся: фотон, электрон, нейтрино. 2) Нестабильные. Долгоживущие. Относят все другие, время их жизни оценивающее в 10 минус 10 и 10 в минус 24 степени секунды. 3) Заряд элементарной частицы. Делятся на 3 большие группы: 1) Положительно заряженные. 2) Отрицательно заряженные. 3) Нейтральные. Пример, фотон. Любая частица мироздания имеет свою античастицу. Особую группы образуют элементарные частицы, имеющие дробный электрический заряд – кварки. Входят в состав ядра атома. То есть составляющие протона и нейтрона. Ароматы кварков, с точки зрения современной физики выделяют 6 ароматов кварков: 1) Странный. 2) Очарованный. 3) Даун. 4) Ап. Каждый аромат кварка имеет по 3 цвета: 1) Синий. 2) Зеленый. 3) Красный. 4) Спин элементарной частицы. Описывает вращение элементарной частицы вокруг собственной оси. По спину все элементарные частицы делятся на 2 большие группы: 1) С целочисленным спином. 2) Дробным спином. Материя состоит и вещества и поля сил. Частицы, состоящие из фермионов называются дробными. Частицы поля имеют целочисленное. Частицы поля (фотон, глюон). Спин равен единице. Фундаментальное взаимодействия и силы в природе. С точки зрения современного естествознания выделяют 4 фундаментального взаимодействия, а именно: 1) Сильное взаимодействие. Силы взаимодействия характеризуются определенной силовой константой. Самый сильный тип взаимодействия – «сильное». Сильное взаимодействие обеспечивает (удерживает) протоны и нейтроны внутри ядра атома. Короткодействующее взаимодействие (радиус действия такого взаимодействия распространяется порядка на 10 в минус 15 степени метра). Переносчик сильного взаимодействия есть глюоны. 2) Слабое взаимодействие. Константа – 10 в минус 5 степени. Слабое взаимодействие отвечает за взаимодействиями не только внутри атома, но и атома в целом. Одним из проявлений слабого взаимодействия является бета-распад. Примером является бозон. 3) Электромагнитное. Константа равняется 1, деленная на 137. Переносчиком такого взаимодействия является фотон. Наиболее ярко начинает проявляться на молекулярном уровне. 4) Гравитационные взаимодействия. Сила = 10 в минус 28 степени. Элементарная частица под названием гравитон. Гравитационное взаимодействие универсальность и не универсальность взаимодействия. Универсальным называется тип взаимодействия, которые реализуются на всех уровнях организации материи. К ним относится электромагнитное и гравитационное взаимодействие. Сильное и слабое взаимодействие не являются универсальными. Самым сильным типом взаимодействия является сильное, электромагнитное, слабое, гравитационное. Гравитон и кварк – переносчик взаимодействия является виртуальной элементарной частицей. Основные понятия и принципы квантово-полевой картины мира. 1) Это детище открытий в области квантовой механики, СТО и ОТО Эйнштейна. Что изменилось? 1) Изменилось представление о материи. А именно, материя двуедино. Обладает корпускулярными и волновыми свойствами. В рамках механистической картины мира физики считали, что устройство мира можно понять, не вмешиваясь в него. В рамках КПКМ знания об объекте зависят от свойств познающего субъекта, а именно речь идет об объектах микромира. Начинает действовать принцип неопределенности Вернера. 2) Взаимодействие в рамках КПКМ описывается в рамках 4 фундаментальных взаимодействиях. В МКМ описывается в рамках дальнодействия. А в КПКМ описывается в рамках близкодействия. 3) В рамках КПКМ материя, пространство, время тесно связаны между собой. На это указывает общая теория относительности. А на взаимодействие пространства и времени указывает СТО. Мегамиры. Мегамир. Современные астрофизические и космологические концепции. Этапы, эволюции Вселенной. Вопрос об эволюции вообще не ставился и не рассматривался в классической науке. Представления о мегамире рассматривалась в рамках концепции стационарного состояния Вселенной. А. Эйнштейн при составлении своих теорий базировался на концепции стационарного состояния Вселенной. Впервые вопрос об эволюции Вселенной был поставлен и решен Российским математиком А. Фридманом в 20-ые годы 20 столетия (1922 год). Решая математические уравнения, пришел к выводу, что существует 3 варианта решения математических уравнений (модели развития Вселенной): 1) Средняя плотность вещества при изучении Вселенной равна критической величине, то из равенства этих плотностей следует, что пространство Вселенной является плоской и подчиняется законам геометрии Евклида, а Вселенная при этом безгранично расширяется. 2) Если средняя плотность вещества и излучения во Вселенной меньше критической, то наша Вселенная подчиняется законам геометрии Лобачевского, Вселенная также безгранично расширяется. 3) Если средняя плотность вещества и излучения во Вселенной больше критической, то пространство вселенной подчиняется законам геометрии Римана. Вселенная на определенном этапе расширения меняется сжатием вплоть до первоначального точечного состояния. Оказалось, что работает вариант 2, после измерения плотности. Экспериментальное подтверждение второму сценарию эволюции Вселенной: 1) Закон Хаббла. Американский физик открывает закономерность: все галактики удаляются от нашей со скоростями прямопропорциональными расстоянию до этих галактик (закон «красного смещения»). 2) Открытие «реликтового» излучения. Арнольдом Пензиасом и Уилсоном. Звездная форма бытия космической материи. Большая часть вселенной сосредоточено в звездах. Звезда – это гравитационно-значимое космическое тело, в котором в значительных масштабах происходило, происходят или будут происходить термоядерные реакции превращения водорода в гелий. Функции звезды: 1) Это источник энергии. 2) Представляет собой основную структурную единицу космоса. 3) Центр по переработке вещества на ядерном уровне, именно в звездах происходит синтез всех химических элементов. Параметры Солнца: 1) Масса Солнца = 10 в 30 степени килограмм. 2) Средняя плотность Солнца = 1,4 грамма сантиметров кубических. 3) Средняя температура Солнца = 6000 Кельвин. Классификация звезд по: I) Массе (сравнивают с массой Солнца). Выделяют: значительно меньшую десяти масс Солнца, соизмеримы с массой Солнца, масса которых значительно больше 10 масс Солнца. Масса звезды влияет на эволюционным путь Солнца. Если масса звезды менее 10 масс Солнца, то такая звезда превращается в белый карлик (конечный путь эволюции такой звезды). Это плотные звезды, радиус которых в 100 раз меньше радиуса Солнца. Обладают низкой светимостью. В нашей галактике белых карликов насчитывается 10% от всех звезд. Если масса звезды соизмерима с массой Солнца, то эти звезды превращаются в нейтронные звезды, потом в результате взрыва новых и сверхновых звезд превращаются в газовые туманности. Новые звезды отличаются от сверхновых тем, что вспыхивают в галактиках достаточно часто, а именно до 100 раз в течение одного Земного года, а вспышка сверхновых – явление редкое, происходит в среднем 1 раз в 100 лет. Если масса звезды значительно больше 10 масс Солнца, то они превращаются в красные гиганты. Эволюционируют в черные дыры, а они превращаются в белые. Учебник Гуляев, Жуковский смотреть эволюцию звезд «основы естествознания». II) Светимости звезд: Измеряется в звездных величинах и в абсолютно звездных величинах. Разницу посмотреть самостоятельно. В современном естествознании существует 7 спектральных классов звезд. «Один Великий Англичанин Финики Жевал Как Морковь». Каждый из этих классов имеет 10 подклассов. Солнце относится по светимости G2. Химическому составу звезд: определяют по её спектру излучения. Если брать звезды из нашей галактики, то установлено, что больше всего в спектре любой звезды находятся атомы водорода. Это средний химический состав звезд: на 10000 атомов водорода, 1000 атомов гелия и треть кислорода. Содержание других элементов еще меньше. Тем не менее, типичный пример водородной звезды – звезда класса А, называемая Сириус. Звезды класса F фиксируют линии кальция и водорода. Звезды класса G содержат достаточно большее количество атомов железа. В звездах класса М, большее количество титана. Данные о светимости, приведены в диаграммах Герцшпрунга-Расела. Оказалось, что большинство звезд, известные естествознанию, расположены по главной последовательности. Получив эту закономерность в 1925 году, была построена диаграмма. В процессе своего эволюционного развития, каждая звезда рано или поздно попадает в эту последовательность. Время жизни определяется её массой. Чем больше масса, тем дольше продержится на плаву из-за водорода. Время жизни Солнца определено 5 млрд. лет. III) Радиусу самостоятельно. IV) Средняя температура звезды: Температура поверхностных слоев. Температура звезды определяется цветом звезды. Если t порядка 3-4 тыс. по Кельвину, то звезда красная. Если у звезды t 6-7 тыс. Кельвинов, то звезда желтая. Если t порядка 10-12 тыс. Кельвинов, то звезда голубая. С увеличением температуру, цвет смещается в коротковолновую часть спектра. |