Реферат: Вопросы по естествознанию

Фундаментальные понятия физики: материя, движение,пространство и время. Виды материи. Концепции симметрии, эфира и физическоговакуума.

Материя есть философская категория для обозначения объективнойреальности, которая отображается нашими ощущениями, существуя независимо отних. В классическом представлении в естествознании различают два вида материи:вещество и поле. В современном представлении к этим двум следует добавитьтретий вид материи – физический вакуум.

Повседневный опыт показывает, что тела действуют друг надруга, что приводит к всевозможным изменениям и движениям. Ученых интересует несам факт движения, а его количественная характеристика, которую нужно изменять,только в этом случае возможно точное описание движения. Для количественногоописания движения сформировались представления о пространстве и времени.

В физике движение рассматривается в самом общем виде какизменение состояния или другой физической системы. И для описания состояниявводится набор измеряемых параметров, к которым со времен Декарта относятсяпространственно-временные координаты, или точки пространственно-временногоконтинуума, означающего непрерывное множество. В физике используются и другиепараметры состояния систем: импульс, энергия, температура, спин и др.

Для измерения времени могут быть использованы какпериодические процессы, так и непериодические.

Время выражает порядок смены физических состояний и являетсяобъективной характеристикой любого физического процесса или явления; оноуниверсально. Говорить о времени безотносительно к изменениям в каких-либореальных телах или системах – с физической точки зрения бессмысленно.

Ньютон различал абсолютное и относительное время.

Во-первых, течение времени зависит от скорости движениясистемы отсчета. При достаточно большой скорости, близкой к скорости света,время замедляется, т.е. возникает релятивистское замедление времени. Во-вторых,поле тяготения приводит к гравитационному замедлению времени. Можно говоритьтолько о локальном времени в некоторой системе отсчета. Время всегдаотносительно.

Важная особенность времени выражена в постулате времени:одинаковые во всех отношениях явления происходят за одинаковое время.

По аналогии с абсолютным временем Ньютон ввел понятиеабсолютного пространства, которое может быть совершенно пустым и существуетнезависимо от наличия в нем физических тел, являясь как бы мировой сферой, гдеразыгрываются физические процессы. Свойства такого пространства определяютсяЕвклидовой геометрией. Для реального мира пространство и время имеет неабсолютный, а относительный характер.

Весьма важным для понимания законов природы является принципинвариантности относительно сдвигов в пространстве и во времени, т.е.параллельных переносов начала координат и начала отсчета времени: смещение вовремени и пространстве не влияет на протекание физических процессов.

Инвариантность непосредственно связана с симметрией,представляющей собой неизменность структуры материального объекта относительноего преобразований, т.е. изменения ряда физических условий. Из принципаинвариантности следует симметрия пространства и времени, называемаяоднородностью пространства и времени.

Однородность пространства заключается в том, что припараллельном переносе в пространстве замкнутой системы тел как целого еефизические свойства и законы движения не изменяются. Из свойства симметриипространства следует закон сохранения импульса: импульс замкнутой системысохраняется, т.е. не изменяется с течением времени.

Однородность времени означает инвариантность физическихзаконов относительно выбора начала отсчета времени. Еще одно свойство симметриипространства – это его изотропность. Изотропность пространства означаетинвариантность физических законов относительно выбора направлений осейкоординат системы отсчета. Из изотропности пространства следует законсохранения момента импульса: момент импульса замкнутой системы сохраняется,т.е. не изменяется с течением времени.

Мировой эфир – это предполагавшаяся ранее универсальнаясплошная среда, заполняющая все мировое пространство, в том числе и промежуткимежду атомами и молекулами в телах. Изучение оптических и электромагнитныхявлений показало несостоятельность гипотезы о существовании эфира какуниверсальной механической среды: современная физика считает, что впространстве между телами существуют различные физические поля, являющиесяособыми формами материи.

Виды фундаментальных взаимодействий. Универсальныефизические постоянные.

К настоящему времени известны четыре вида основныхфундаментальных взаимодействий: гравитационное; электромагнитное; сильное;слабое.

 Между двумя точечными телами действует сила притяжения, прямопропорциональная произведению их масс и обратно пропорциональная квадратурасстояния между ними. Предполагается, что гравитационное взаимодействиеобуславливается некими элементарными частицами – гравитонами, существованиекоторых к настоящему времени экспериментально не подтверждено.

Электромагнитное взаимодействие связано с электрическими имагнитными полями. Электрическое поле возникает при наличии электрическихзарядов, а магнитное поле – при их движении. В природе существуют какположительные, так и отрицательные заряды, что и определяет характерэлектромагнитного взаимодействия (притяжение или отталкивание).

Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре иопределяет ядерные силы. Предполагается, что ядерные силы возникают при обменемежду нуклонами виртуальными частицами – мезонами.

Слабое взаимодействие описывает некоторые виды ядерныхпроцессов. Оно короткодействующее и характеризует все виды бета-превращений.

Обычно для количественного анализа перечисленныхвзаимодействий используют две характеристики: безразмерную константувзаимодействия, определяющую величину взаимодействия, и радиус действия.

Микро-, макро- и мегамир.Человек и вселенная.

Микромир — мир микроскопических частиц, для которых характерныпреимущественно квантовые свойства. Поведение и свойства физических тел,состоящих из микрочастиц и составляющих макромир, описываются классическойфизикой.

Пространственные масштабы нашей Вселенной и размеры основныхматериальных образований, в том числе и микрообъектов, можно представить изследующей таблицы, где размеры даны в метрах (для простоты приведены лишьпорядки чисел, т. е. приближенные числа в пределах одного порядка):

Радиус космологического горизонта или видимой нами Вселенной       1026

Диаметр нашей Галактики    1021

 Расстояние от Земли до Солнца  10"

Диаметр Солнца   109

Размер человека   10°

Структурные уровни организации материи.

Под структурой материи обычно понимается ее строение вмикромире, существование в виде молекул, атомов, элементарных частиц и т. д. Ноесли рассматривать материю в целом, во всех доступных и потенциально возможныхформах ее существования, то понятие структуры материи будет охватывать такжеразличные макроскопические тела, все космические системы мегамира, причем влюбых, сколь угодно больших пространственно-временных масштабах. С этой точкизрения структура материи проявляется в ее существовании в виде бесконечногомногообразия целостных систем, тесно связанных между собой в закономерномдвижении и взаимодействии, в упорядоченном строении каждой системы. Этаструктура неисчерпаема и бесконечна в количественном и качественном отношениях.

Проявлениями структурной бесконечности материи выступают:неисчерпаемость объектов и процессов микромира, бесконечность пространства ивремени, бесконечность изменений и развития материи.

В доступных пространственно-временных масштабах структурностьматерии проявляется в ее системной организации, существовании в виде множестваиерархически взаимосвязанных систем, начиная от элементарных частиц и кончаяМетагалактикой. Последнюю иногда отождествляют со всей Вселенной, но для этогонет никаких оснований, ибо Вселенная в целом, понимаемая в предельно широкомсмысле этого слова, тождественна всему материальному миру и движущейся материи,которая может включать в себя бесконечное множество Метагалактик или другихкосмических систем. Понятие же Вселенной, используемое в различныхкосмологических моделях, обозначает наблюдаемую Вселенную (Метагалактику) либоже различные аспекты последней, как они представляются через содержаниепринятых моделей.

Корпускулярная и континуальная концепции описания природы(атомы, поле, кванты). Развитие концепции атомизма.

В истории физики наиболее плодотворной и важной для пониманияявлений природы была концепция атомизма, согласно которой материя имеетпрерывистое, дискретное строение, т. е. состоит из мельчайших частиц — атомов.До конца XIX в. в соответствии с концепцией атомизма считалось, что материясостоит из отдельных неделимых частиц — атомов. С точки зрения современногоатомизма, электроны — «атомы» электричества, фотоны —«атомы» света и т. д.

Концепция атомизма, впервые предложенная древнегреческимфилософом Левкиппом в V в. до н. э., развитая его учеником Демокритом и затемдревнегреческим философом-материалистом Эпикуром (341—270 до н. э.) изапечатленная в замечательной поэме «О природе вещей» римского поэтаи философа Лукреция Кара (I в. до н. э.), вплоть до нашего столетия оставалосьумозрительной гипотезой, хотя и подтверждаемой косвенно некоторымиэкспериментальными доказательствами (например, броуновским движением, закономАвогадро и др.).

Многие ведущие физики и химики даже в конце XIX в. не верили вреальность существования атомов. К тому же многие экспериментальные результатыхимии и рассчитанные в соответствии с кинетической теорией газов данныеутверждали другое понятие для мельчайших частиц — молекулы.

Реальное существование молекул было окончательно подтвержденов 1906 г. опытами французского физика Жана Перрена (1870—1942) по изучениюзакономерностей броуновского Движения. В современном представлении молекула —наименьшая частица вещества, обладающая его основными химическими свойствами исостоящая из атомов, соединенных между собой химическими связями. Число атомовв молекуле составляет от двух (Н2, О2, НF, КСI) до сотен и тысяч (некоторыевитамины, гормоны и белки). Атомы инертных газов часто называют одноатомнымимолекулами. Если молекула состоит из тысяч и более повторяющихся единиц(одинаковых или близких по строению групп атомов), ее называют макромолекулой.

Атом — составная часть молекулы, в переводе с греческогоозначает «неделимый». Действительно, вплоть до конца XIX в.неделимость атома не вызывала серьезных возражений. Однако физические опытыконца XIX и начала XX столетий не только подвергли сомнению неделимость атома,но и доказали существование его структуры. В своих опытах в 1897 г. английскийфизик Джозеф Джон Томсон (1856—1940) открыл электрон, названный позднее атомомэлектричества. Электрон, как хорошо известно, входит в состав электроннойоболочки атомов. В 1898 г. Томсон определил заряд электрона, а в 1903 г.предложил одну из первых моделей атома.

Тождественность микрообъектов и индивидуальностьмакросистем.

Для микро- и макросистем характерна индивидуальность: каждаясистема описывается присущей только ей совокупностью всевозможных свойств.Можно назвать существенные различия между ядром водорода и урана, хотя оба ониотносятся к микросистемам. Не меньше различий между Землей и Марсом, хотя этипланеты принадлежат одной и той же Солнечной системе.

Однако можно говорить о тождественности элементарных частиц.Тождественные частицы обладают одинаковыми физическими свойствами: массой,электрическим зарядом, спином и другими внутренними характеристиками(квантовыми числами). Например, все электроны Вселенной считаютсятождественными. Понятие о тождественных частицах как о принципиальнонеразличимых частицах — чисто квантово-механическое. Тождественные частицыподчиняются принципу тождественности.

Принцип тождественности — фундаментальный принцип квантовоймеханики, согласно которому состояния системы частиц, получающиеся друг издруга перестановкой тождественных частиц местами, нельзя различить ни в какомэксперименте. Такие состояния должны рассматриваться как одно физическоесостояние.

Принцип тождественности — одно из основных различий междуклассической и квантовой механикой. В классической механике всегда можнопроследить за движением отдельных частиц по траекториям и таким образомотличить частицы одну от другой. В квантовой механике тождественные частицыполностью лишены индивидуальности.

Принцип тождественности и вытекающие из него требованиясимметрии волновых функций для системы тождественных частиц приводят кважнейшему квантовому эффекту, не имеющему аналога в классической теории, —существованию обменного взаимодействия. Одним из первых успехов квантовоймеханики было объяснение Гейзенбергом наличия двух состояний атома гелия —орто- и парагелия, основанное на принципе тождественности.

Проблема построения единой фундаментальной теории в физике.

Положение, сложившееся в современной физике элементарныхчастиц, напоминает положение, создавшееся в физике атома после открытия в 1869г. Д.И. Менделеевым периодического закона. Хотя физическая сущность этогозакона была выяснена топько спустя примерно 60 лет, после создания квантовоймеханики он позволил систематизировать известные к тому времени химическиеэлементы и, кроме того, привел к предсказанию существования новых элементов иих свойств. Точно так же физики научились систематизировать элементарныечастицы, причем систематика в ряде случаев позволила предсказать существованиеновых частиц и их свойств.

Крупным шагом в познании микропроцессов явилось созданиеединой теории электромагнитных и слабых взаимодействий.

Развитие концепций движения, пространства и времени

Движение: абсолютного покоя нет, движение — неотъемлемоесвойство материи; все течет, все изменяется и т.п.

В физике движение рассматривается в самом общем виде какизменение состояния или другой физической системы и для описания состояниявводится набор измеряемых параметров, к которым со времен Декарта относятсяпространственно-временные координаты, или точки пространственно-временногоконтинуума, означающего непрерывное множество. В физике используются и другиепараметры состояния систем: импульс, энергия, температура, спин и т. п.

Время: В более строгом определении время выражает порядоксмены физических состояний и является объективной характеристикой любогофизического процесса или явления; оно универсально. Говорить о временибезотносительно к изменениям в каких-либо реальных телах или системах сфизической точки зрения бессмысленно.

Абсолютное, истинное математическое время само по себе и посвоей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекаетравномерно и иначе называется длительностью. Течение абсолютного времениизменяться не может. Относительное, кажущееся или обыденное время есть илиточная, или изменчивая постигаемая чувствами внешняя, совершаемая припосредстве какого-либо движения, мера продолжительности, употребляемая вобыденной жизни вместо истинного математического времени, как- то: час, день,месяц, год.

Важная особенность времени выражена в постулате времени:одинаковые во всех отношениях явления происходят за одинаковое время. Хотя этотпостулат кажется естественным и очевидным, его истинность относительна, так какего нельзя проверить на опыте даже с помощью самых совершенных, но реальныхчасов.

Пространство: Первое представление о пространстве возникло изочевидного существования в природе и в первую очередь в микромире твердыхфизических тел, занимающих определенный объем. Из такого представления вытекалоопределение: пространство выражает порядок сосуществования физических тел. Поаналогии с абсолютным временем Ньютон ввел понятие абсолютного пространства,которое может быть совершенно пустым, существует независимо от наличия в немфизических тел, являясь как бы мировой сферой, где разыгрываются физическиепроцессы. Свойства такого пространства определяются Евклидовой геометрией.Такое представление о пространстве и до сих пор лежит в основе многихэкспериментов, позволивших сделать крупные открытия.

Основные понятия классической механики: инерция, масса, сила.Законы Ньютона

В 1667 г. Ньютон сформулировал три закона динамики,составляющие основной раздел классической механики. Законы Ньютона играютисключительную роль в механике и являются (как и большинство физическихзаконов) обобщением результатов огромного человеческого опыта.

Первый закон Ньютона: всякая материальная точка (тело)сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор,пока воздействие со стороны других тел не заставит ее изменить это состояние.

Стремление тела сохранить состояние покоя или равномерногопрямолинейного движения называется инертностью, или инерцией. Поэтому первыйзакон Ньютона называют также законом инерции. Для количественной формулировкивторого закона динамики вводятся понятия ускорения а, массы тела т и силы F.Ускорением характеризуется быстрота изменения скорости движения тела. Массатела — физическая величина — одна из основных характеристик материи,определяющая ее инерционные (инертная масса) и гравитационные (тяжелая илигравитационная масса) свойства. Сила — это векторная величина, мермеханического воздействия на тело со стороны других тел или полей, в результатекоторого тело приобретает ускорение или изменяет свою форму и размеры.

Второй закон Ньютона: ускорение, приобретаемое материальнойточкой (телом), пропорционально вызывающей его силе и обратно пропорциональномассе материальной точки (тела): а=F/m

Второй закон Ньютона справедлив только в инерциальных системахотсчета. Взаимодействие между материальными точками (телами) определяетсяТретьим законом Ньютона: всякое действие материальных точек (тел) друг на друганосит характер взаимодействия; силы, с которыми действуют друг на другаматериальные точки, всегда равны по модулю, противоположно направлены идействуют вдоль прямой, соединяющей эти точки:

F12=-F21

где F12 — сила, действующая на первую материальную точку состороны второй; F21— сила, действующая на вторую материальную точку со стороныпервой. Эти силы приложены к разным материальным точкам (телам), всегдадействуют парами и являются силами одной природы.

При подготовке этой работы были использованы материалы с сайтаhttp://www.studentu.ru