УМК КСЕ СПО. Учебнометодический комплекс по дисциплине концепции современного естествознания для студентов всех специальностей
 Скачать 3.72 Mb.
|
|
Ш. Кулон открыл закон (закон Кулона): положительно и отрицательно заряженные тела (точечные заряды) притягиваются друг к другу прямо пропорционально величине их зарядов и обратно пропорционально квадрату расстояния между ними. Ханс Эрстед доказал взаимосвязь электрических и магнитных явлений. Поместив над проводником, по которому идет электрический ток, магнитную стрелку, он обнаружил, что она отклоняется от первоначального положения. Это привело его к заключению о том, что электрический ток создает магнитное поле. А. Ампер разработал теорию связи электричества и магнетизма. Позднее М. Фарадей доказывает возможность образования электрического тока в металлическом замкнутом контуре при вращении его в магнитном поле. По теории Фарадея электрические заряды не действуют друг на друга непосредственно, а создают в окружающем пространстве электрические поля, которые и взаимодействует друг с другом. Фарадей впервые по существу сформулировал представление об электромагнитном поле как о материальной среде. Д. Максвелл объединил электромагнитные, магнитные и оптические явления в единую электромагнитную теорию, базирующуюся на представлении об электромагнитном поле. Согласно уравнениям Максвелла изменение магнитного поля влечет за собой изменение электрического поля и наоборот, в результате чего возникает переменное электромагнитное поле, которое существует независимо от заряда, и самостоятельно распространяется в пространстве. Вычисленная скорость распространения электромагнитного поля оказалась равной скорости света. Это привело Максвелла к выводу о том, что свет представляет собой электромагнитную волну. Отсюда следовало, что электрические и оптические явления имеют одну сущность. Г. Герц продемонстрировал «беспроволочное распространение» электромагнитных волн. В науке того времени утверждается электромагнитная картина мира, в которой кардинально изменяется взгляд на материю. Движение в поле рассматривается как распространение колебаний, которое описывается законами электродинамики. В новой картине мира ньютоновский принцип дальнодействия был заменен на фарадеевский принцип близкодействия, согласно которому взаимодействие рассматривается как передача полем какого-либо действия от точки к точке непрерывно и с конечной скоростью. Но и в этой картине мира не изменилось представление о роли человека во Вселенной. Литература: 1, 4–9. Лекция 3. ПРОСТРАНСТВО, ВРЕМЯ, ОТНОСИТЕЛЬНОСТЬ. СТАТИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ В ПРИРОДЕ 3.1. Эволюция представлений о пространстве и времени Пространство и время – категории, обозначающие основные фундаментальные формы существования материи. Пространство выражает порядок существования отдельных объектов, время – порядок смены явлений и состояний материи. Все тела имеют определенную протяженность: длину, ширину, высоту; они различным образом расположены относительно друг друга, составляют части той или иной системы. Пространство есть форма координации существующих объектов, состояний материи. Порядок сосуществования этих объектов и их состояний образует структуру пространства. Явления характеризуются длительностью существования, последовательностью этапов развития. Процессы совершаются либо одновременно, либо один раньше или позже другого. Все это означает, что тела существуют и движутся (изменяются) во времени. Время – форма координации сменяющихся объектов и их состояний. Порядок смены этих объектов и состояний образует структуру времени. Пространство и время объективны и реальны, они существуют независимо от сознания людей и познания ими этой объективной реальности. И. Ньютон различал время абсолютное и относительное. Абсолютное (истинное, или математическое) время, протекающее независимо, без всякого отношения к чему-либо внешнему, он назвал длительностью.Течение абсолютного времени измениться не может. Абсолютное время однородно. Все процессы длятся во времени, мгновенных процессов нет. Относительное (кажущееся) время употребляется в обыденной жизни вместо математического времени – это час, год, сутки и т. д. Время всегда относительно и в различных физических условиях течет с различной скоростью. При скорости, близкой к скорости света, время замедляется. Кроме того, поле тяготения приводит к гравитационному замедлению времени. Постулат времени – одинаковые во всех отношениях явления происходят за одинаковое время. Время одномерно,что проявляется в линейной последовательности связанных между собой событий. Всеобщее свойство времени – необратимость, означающая однонаправленное изменение от прошлого через настоящее к будущему. И. Ньютон, изучая движение тел, пришел к заключению о том, что пространство – независимо существующая субстанция, в которой могут перемещаться материальные тела. Каждый объект обладает в пространстве определенным положением и ориентацией. Определить положение тела в пространстве можно только при ускоренном движении. Движения с постоянной скоростью зарегистрировать невозможно. Поэтому у Ньютона все равномерные движения относительны, а ускоренные – абсолютны. Пространство – это универсальная форма существования материи. Важным свойством пространства является еготрехмерность. Для определения положения объекта (материальной точки) в пространстве задаются его три координаты, т.е. долгота, широта и высота. Чтобы охарактеризовать изменение положения (движение) точки в пространстве, необходимо ввести еще одну координату – время. Эта четырехмерная система называется пространственно-временной системой отсчета. Пространство обладает свойством однородности и изотропности, это значит, что все точки и все направления пространства равноправны. В науке используется понятие многомерного пространства. Так, по современному варианту теории Калуцы – Клейна мир с 11 измерениями, 7 из которых являются свернутыми, скрытыми для восприятия. 3.2. Постулаты и следствия специальной теории относительности А. Эйнштейн сформулировал основные положения своей специальной теории относительности (релятивистской теории): все инерциальные системы координат совершенно равноправны и в отношении механических, и электромагнитных явлений, а скорость света инвариантна (неизменна) во всех инерциальных системах отсчета. В основе специальной теории относительности два постулата: 1. Принцип относительностиЭйнштейна – уравнения, выражающие законы природы инвариантны (неизменны) по отношению к преобразованию координат и времени от одной инерциальной системы отсчета к другой. 2. Принцип постоянства скорости света – скорость света в пустоте одинакова во всех инерциальных системах и не зависит от движения источника или приемника света. Скорость света в вакууме всегда постоянна и равна 300000 км/с, она является предельной скоростью распространения любого сигнала. Ключевым понятием специальной теории относительности является понятие относительной одновременности. Не существует никакого абсолютного расстояния, длины или протяженности, так же как не может быть никакого абсолютного времени. Все это означает, что для реального мира пространство и время имеют не абсолютный, а относительный характер. Специальная теория относительности объединила пространство и время в единый континуум пространство-время. Г. Минковский ввел в физику геометрическую интерпретацию релятивистской теории – пространственно-временной интервал. Возникло понятие о четырехмерном пространстве (пространстве Минковского), где четвертой координатой выступает время. Эйнштейн в специальной теории относительности предложил использовать преобразования Х. Лоренца, в которых учитывается скорость света. Эти преобразования позволяют математически выразить относительность времени и показывают, что в движущейся системе отсчета временной интервал сокращается, а размеры тела вдоль направления движения уменьшаются. При движении, приближающемся к скорости света, замедляется время, замедляются все процессы, происходящие в системе, в том числе и в живых организмах, сокращаются продольные (вдоль движения) размеры тел. «Парадокс близнеца»: из двух близнецов, один космонавт и он, оказывается моложе своего брата, т.к. в космическом корабле, двигающемся с огромной скоростью, темп времени замедляется и все процессы происходят медленнее, чем на Земле. В рамках специальной теории относительности масса, так же как и время, зависит от скорости движения. Когда скорость тела приближается к скорости света, масса его неограниченно растет и в пределе приближается к бесконечности. Так, электроны при сообщении им больших скоростей увеличивают свою массу. Из этой зависимости следует, что движение со скоростью, превышающей скорость света, невозможно. Таким образом, согласно специальной теории относительности, пространство и время – общие формы координации материальных явлений, а не самостоятельно существующие независимо от материи начала бытия. В земных условиях мы не встречаемся с такими скоростями и поэтому крайне малыми поправками практически пренебрегаем. 3.3. Взаимосвязь массы и энергии как основа ядерной энергетики. Основные положения и выводы общей теории относительности Эйнштейн обосновывает общую теорию относительности, которая распространяется и на системы движущиеся с ускорением. Согласно общей теории относительности свойства пространства-времени определяются распределением и движением масс материи. Любая масса создает поле тяготения, искривляет пространство и меняет течение времени. Чем сильнее поле, тем медленнее течет время по сравнению с течением его вне поля. Общая теория относительности рассматривает движение тел в гравитационном поле. В соответствии с общей теорией относительности в результате действия поля тяготения движение материальной точки, так же как и распространение светового луча, уже не является равномерным и прямолинейным. Теория относительности связала массу не только с пространством и временем, но и с энергией. Закон сохранения массы и закон сохранения энергии объединены в единый закон сохранения массы и энергии: Е = mс2, где E – энергия, m – масса, с – скорость света в вакууме. Теории относительности Эйнштейна, дополненные открытиями Фридмана и Хабла, сформировали новый взгляд на нашу Вселенную. Появление этой релятивистской космологической модели рассматривается как третья глобальная революция в естествознании, которая привела к отказу от всякого центризма. 3.4. Описание состояний в динамических и статических теориях. Законы термодинамики Механическое движение тел подчиняется законам классической механики Ньютона, динамическим законам, устанавливающим, что движение происходит под действием сил. Динамические законы имеют однозначный характер всех связей и зависимостей. Зная начальное состояние механической системы, можно однозначно определить ее последующие состояния. Динамические закономерности не допускают какой-либо неопределенности системы. Термодинамика – наука о тепловых явлениях. Основа термодинамического метода – определение состояния термодинамической системы. Система – совокупность тел, выделенная из пространства. Если в системе возможен массо- и теплообмен между всеми ее составными частями, то такая система называется термодинамической. Если между системой и окружающей средой отсутствует массо- и теплообмен, то такая система называется изолированной. Если отсутствует массообмен, но возможен теплообмен, то система называется закрытой. Если же между системой и окружающей средой возможен и массо-, и теплообмен, то система открытая. I закон термодинамики (закон сохранения энергии): энергия не исчезает и не возникает вновь из ничего при протекании процесса, она лишь может переходить из одной формы в другую в строго эквивалентных отношениях. Всякая термодинамическая система в любом состоянии обладает внутренней энергией – энергией теплового (поступательного, вращательного и колебательного) движения молекул и потенциальной энергией их взаимодействия. Возможны два способа изменения внутренней энергии термодинамической системы при ее взаимодействии с внешними телами: путем теплообмена и путем совершения работы. В случае теплообмена, если теплота поступает к веществу, то она может превращаться непосредственно в работу или может накапливаться в веществе. Всякий раз, когда к системе подводится теплота (Q), оно затрачивается на увеличение её внутренней энергии (U) и может быть использовано на производство работы (А), т.е. Q= U + А Однако вся теплота не может быть потрачено на полезную работу, часть теплоты теряется необратимо. В качестве элементарного примера можно привести работу электрической лампочки, которая сопровождается двумя эффектами – нагреванием и свечением. При изучении тепловых явлений очевидным оказался факт, что распространение тепла представляет собой необратимый процесс. Хорошо известно, что тепло, возникшее, например, в результате какой-либо механической работы или в результате трения, нельзя превратить в энергию и потом использовать для производства работы. Известно, что тепло передается от горячего тела к холодному, а не наоборот. Все реальные системы являются открытыми. Открытые системы способны обмениваться с окружающей средой веществом и энергией. Взаимодействуя со средой, открытая система заимствует извне или новое вещество, или энергию и одновременно выводит в среду использованное вещество и отработанную энергию. Поскольку между веществом (массой) и энергией существует глубокая взаимосвязь, выражаемая уравнением Эйнштейна Е= тс2, то можно сказать, что в ходе своей эволюции система постоянно обменивается энергией с окружающей средой, а следовательно, производит энтропию. Но в отличие от закрытых систем эта энергия, характеризующая степень беспорядка в системе, не накапливается в ней, а удаляется в окружающую среду. Материальные структуры, способные рассеивать (диссипировать) энергию называются диссипативными. Открытая система не может быть равновесной, так как ее функционирование требует непрерывного поступления из внешней среды энергии или вещества, богатого энергией. Таким образом, открытая система извлекает порядок из окружающей среды и тем самым вносит беспорядок в эту среду. II закон термодинамики (закон возрастания энтропии): всеестественные физические и химические процессы стремятся идти в направлении, соответствующем необратимому переходу полезной энергии в хаотическую, неупорядоченную форму. 3.5. Хаос, беспорядок и порядок в природе. Энтропия Большинство процессов представляет собой два одновременно происходящих явления: передачу энергии и изменение в упорядоченности расположения частиц относительно друг друга. Частицам присуще стремление к беспорядочному движению, поэтому система стремится перейти из более упорядоченного состояния в менее упорядоченное. Количественной мерой беспорядка является энтропия S (термин предложил Р.Ю. Клаузиус). Энтропия –функция состояния термодинамической системы, изменение которой dSв равновесном процессе равно отношению количества теплоты dQ, сообщенного системе или отведенного от нее, к термодинамической температуре Энтропия замкнутой системы, т.е. системы, которая не обменивается с окружающей средой ни энергией, ни веществом, постоянно возрастает. Такие системы эволюционируют в сторону увеличения беспорядка, пока не наступит состояние равновесия – точка термодинамического равновесия, при которой энтропия максимальна, а производство работы уже невозможно. Из этого следовало, что наиболее организованные, например, живые организмы, должны быть высоко неупорядоченными. Шредингер показал, что живые системы, вопреки второму закону термодинамики, способны поддерживать упорядоченность, то есть живые системы могут проявлять тенденцию как к разрушению упорядоченности, так и к ее сохранению. Вся материя способна осуществлять работу против термодинамического равновесия, способна самоорганизовываться и самоусложняться. В обыденной жизни мы, как правило, стремимся к порядку. Мы наблюдаем четкое, подчиняющееся определенному порядку движение планет, вращение Земли, смену дня и ночи, смену года, порядок в строении атома. Однако многие процессы в природе имеют непредсказуемый, случайный, хаотический характер, например, броуновское движение частиц, катастрофы, социальные потрясения, радиосигналы. Порядок в системах может быть равновесным и неравновесным. Система всегда стремится перейти из неравновесного в равновесное состояние; это касается не только физических, но и экологических, экономических и любых других систем. Так в термодинамике это свойство систем выражается в принципе Ле Шателье: всякая система стремится только к такому изменению, которое сводит к минимуму внешнее воздействие. Неравновесный порядок реализуется только в открытых системах за счет перераспределения потоков энергии (тепла и массы) системы и среды. Если подпитку системы прекратить, она перейдет в состояние термодинамического равновесия. Так, когда же жизненный цикл заканчивается, организм переходит в состояние равновесия с окружающей средой, в результате чего устанавливается равновесный порядок. Под хаосом всегда понималось неупорядоченное, случайное, непрогнозируемое поведение элементов системы. Литература: 1, 4–9. Лекция 4. КВАНТОВЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ |