Учебное пособие Москва, 2005 удк 50 Утверждено Ученым советом мгапи
скачатьФедеральное агентство по образованиюГосударственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московская государственная академияприборостроения и информатики»Е.Н. Фигуровский, Б.Я. ШпиченецкийКОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯучебное пособиеМосква, 2005УДК 50Утверждено Ученым советом МГАПИ Рецензент – доцент, к.ф. – м.н. Е.А. КоломийцеваУчебное пособие предназначено для студентов МГАПИ, изучающих дисциплину «Концепции современного естествознания» Издательство МГАПИ СодержаниеВведение………………………………………………………4 1. Панорама современного естествознания…………………………..4 2. Иерархия структур в микро-, макро- и мегамире …………………..7 3. Представления о концепциях материи, движения, пространства и времени ……………………………………………………..9 4. Механическое движение. Классическая концепция Ньютона………..12 5. Колебания и волны…………………………………………..18 6. Фундаментальные взаимодействия. … ……………………………19 7. Статистические и термодинамические свойства макросистем ……….23 8. Концепция корпускулярно-волнового дуализма …………………….26 9. Элементы атомной и ядерной физики ……………………………..29 10. Развитие химических концепций ………………………………….33 11. Мегамир. Современные космологические концепции ……………….39 12. Планета Земля и современные представления о литосфере..………….45 13. Биосфера. Биологические концепции…..……………………………48 14. Экология в современном мире …………………………………….52 15. Феномен человека ……………………………………………….56 16. Самоорганизация в природе ……………..…………………………58 Вопросы для подготовки к экзамену…………………………….62 Рекомендуемая литература……………………………………….63 Введение Зачем будущим экономистам, юристам, управленцам надо изучать дисциплину «Концепции современного естествознания»? Концепция – это совокупность наиболее существенных элементов теории или учения, определённый способ понимания, трактовки каких-либо явлений, основная точка зрения. Знание концепций современной физики, химии, биологии и других естественных наук позволит повысить профессионализм. Поясним вышесказанное примером. Юрист разбирает дело о столкновении судов. Конечно ему надо знать законы, принятые в мировой практике судовождения. Но с другой стороны, если он не знает, что такое масса, перемещение, скорость, ускорение и т.д. он не сможет применить свои профессиональные знания. Менеджер рекламирует изделия какого-то предприятия. Хорошо известно, что на выставках или просмотрах первые вопросы всегда касаются технических сторон изделия и он должен разбираться в этих вопросах. Это же относиться к специалистам по маркетингу, рекламе, управленцам. 1. Панорама современного естествознания 1.1. Естественнонаучная и гуманитарная культура Под культурой понимается создание сферы жизнедеятельности, включающей в себя совокупность материальных и духовных ценностей. Культура делится на естественнонаучную, гуманитарную, техническую и т.д. Под естественнонаучной культурой понимается знание о природе. Естествознание – это совокупность наук о природе: физики, химии, биологии, наук о Земле и всей Вселенной, экологии, физиологии и т.д. Физика – основа современного естествознания. Физика по-гречески «природа» - это наука, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие закономерности явлений природы, свойства и строение материи и законы ее движения. Естественные науки познают законы природы, независящие от постороннего влияния, поэтому их законы носят объективный характер. ^ включает в себя знания о духовном мире человека и человеческом обществе. Это такие науки как философия, история, право, экономика, социология и др. Основной особенностью этих наук является направленность на человека. К гуманитарной культуре относятся: религия, искусство,… т.е. всё, что основано на человеческом общении. ^ Наука - является одним из важнейших элементов общественной жизни. Наука – особый вид человеческой деятельности, направленный на получение, передачу, хранение и использование знаний. Это система достоверных знаний об объективных законах развития природы, общества. Наука – это, прежде всего метод, определяющий путь исследований, Этот путь многие ученые проходят по следующим этапам: постановка задачи исследования; анализ известных теорий и методов решения задачи; опровержение известного, установление фактов, не укладывающихся в известные теории, и выдвижение гипотезы (обоснованного предположения) по устранению этого противоречия; теоретическая и экспериментальная проверка гипотезы; разработка новых теорий, позволяющих решить поставленную задачу. Есть два логических способа применений научного метода: дедуктивный, предполагающий движение мысли от общего к частному и индуктивный - обобщение частных фактов, явлений в единой теории. Индуктивным методом воспользовался Ньютон при открытии второго закона. Он подверг сомнению принятый до него в науки тезис, что сила вызывает скорость, и выдвинул гипотезу о том, что сила вызывает изменение скорости, то есть ускорение. Проведя эксперименты, подтверждающие эту гипотезу, он пришёл к открытию второго закона. ^ Парадигма - это общепринятая и достаточно устойчивая организация научных знаний, господствующая в течение определённого времени в научном сообществе и дающая представление о мире. Смена одной парадигмы на другую связана с коренной ломкой устоявшихся представлений, происходит достаточно редко и поэтому называется научной революцией. В истории естествознания обычно выделяют три такого рода научных революций, определивших и три этапа развития естествознания. Первая из них относится к 6 - 4 веку до нашей эры и связана с формированием основ научного знания, которое заложили учёные Древней Греции. Так Демокрит утверждал, что мир состоит из корпускул (атомов). Тогда же была принята геоцентрическая картина мира, в основе которой было предположение, что Солнце движется вокруг Земли. Вторая научная революция относится к 16 - 17 веку и характеризуется переходом к теории гелиоцентризма (Земля вместе с другими планетами движется вокруг Солнца), внедрение в науку экспериментального метода, а также создание классической механики. Третья научная революция относится к концу 19, началу 20 века и связана с формированием частной и общей теории относительности и созданием квантовой механики. В 20 веке объём естественнонаучных знаний стремительно увеличился. Были открыты способы использования энергии атома, лазеры, полупроводниковые приборы и др. ^ Знание физики необходимо в наше время для специалиста любого профиля, поскольку физика – это одна из важнейших наук о природе. Предметом физики, как уже отмечалось, является изучение наиболее общих свойств материи, закономерностей и форм ее движения. Физическими методами исследуются механические, молекулярные, гравитационные, электромагнитные, внутриатомные и внутриядерные процессы. Физика не единственная наука об окружающем нас мире, однако, она является важной потому, что имеет дело с такими свойствами материи, как время, пространство и движение. Резкой границы между физикой и другими естественными науками провести нельзя. На отсутствие подобных границ указывает существование быстро развивающихся смежных наук - физической химии, геофизики, биофизики, астрофизики и др. Кроме того, во многих науках с каждым годом все шире применяются физические методы исследования. В соответствии с многообразием исследуемых форм материи и ее движения физика подразделяется на физику элементарных частиц, атомных ядер, атомов, молекул, твердого тела, плазмы и т.д. Слово "физика" появилось еще в древние времена. Одно из основных сочинений древнегреческого философа и ученого Аристотеля (381-322 до н. э.), ученика Платона, так и называлось "Физика". Физика тех времен, конечно, носила натурфилософский характер. Тем не менее, предвидя развитие физики, Аристотель писал: «Наука о природе изучает преимущественно тела и величины, их свойства и виды движений, а кроме того, начала такого рода бытия». «Высшая задача физики состоит в открытии наиболее общих элементарных законов, из которых можно было бы логически вывести картину мира» - так считал А. Эйнштейн. Повторим, что одна из задач физики – это выявление самого простого и самого общего в природе. В современном представлении самое простое - так называемые первичные элементы: молекулы, атомы, элементарные частицы, поля и т.п. А наиболее общими свойствами материи принято считать движение, пространство и время, массу, энергию и др. Конечно, физика изучает и очень сложные явления и объекты. Но при их изучении сложное сводится к простому, конкретное - к общему. При этом устанавливаются универсальные законы, справедливость которых подтверждается не только в земных условиях и в околоземном пространстве, но и во всей Вселенной. В этом заключается один из существенных признаков физики как фундаментальной науки. Всю историю физики можно условно разделить на три основных этапа: древний и средневековый, классической физики, современной физики. ^ развития физики иногда называют донаучным. Однако такое название нельзя считать полностью оправданным: фундаментальные зерна физики и естествознания в целом были посеяны еще в глубокой древности. Это самый длительный этап. Он охватывает период от времен Аристотеля до начала XVII в., поэтому и называется древним и средневековым этапом. Начало второго этапа связывают с одним из основателей точного естествознания - итальянским ученым Галилео Галилеем и основоположником классической физики, английским математиком, механиком, астрономом и физиком Исааком Ньютоном. Этот этап продолжался до конца XIX в. К началу XX столетия появились экспериментальные результаты, которые трудно было объяснить в рамках классических представлений. В этой связи был предложен совершенно новый подход - квантовый, основанный на дискретной концепции. Квантовый подход впервые ввел в 1900 г. немецкий физик Макс Планк (1858-1917), вошедший в историю развития физики как один из основоположников квантовой теории. ^ Слово «иерархия» отображает в данном случае лестницу объектов, качественно отличающихся или характеризующихся степенью сложности. На сегодняшний день принята следующая иерархия объектов: микрочастицы, ядра, атомы, молекулы, макротела (твердые тела, жидкости, газы, плазма), планеты, звезды, галактики, Вселенная. Человек чаще всего имеет дело с макротелами (макромир) и сам таковым является. Микрочастицы (элементарные частицы) – мельчайшие частицы материи при условии, что они не являются ядрами и атомами (исключение – протоны). Микрочастицы делятся на две группы адроны и лептоны.   Адроны Барионы (протон, нейтрон, гипероны) Мезоны ( - мезоны, К - мезоны, - мезоны)Лептоны – электрон, мюон, - лептон; электронное, мюонное и -нейтрино. Кроме перечисленных частиц, существуют так называемые резонансы (барионные и мезонные). Особняком от этих микрочастиц стоит фотон – квант электромагнитного поля. Адроны - наиболее тяжелые частицы - не являются неделимыми. Они состоят из кварков - пока истинно элементарных частиц. Гипотезу о кварках выдвинули в 1964 г. Гелл-Ман и Цвейг. Объединение релятивистских и квантовых представлений привело к одному из наиболее выдающихся предсказаний - открытию античастиц, которые отличается от частиц электрическим зарядом, магнитным моментом или другими характеристиками. Античастицы могут собираться в антивещество (например, антигелий-3). Однако во Вселенной до сих пор не обнаружены области со сколь-нибудь заметным содержанием антивещества. Ядра - центральные, массивные части атома, состоящие из нуклонов. Масса ядра более, чем в тысячу раз больше массы электронов, входящих в атом. Размеры ядра – 10-14 - 10-15 м. Число нуклонов в 1м3 достигает 1044 , а плотность – 1017 кг/ м3. Ядра могут быть стабильными и нестабильными. ^ . Ядра имеют положительный электрический заряд и окружены отрицательно заряженными электронами. Такое электрически нейтральное образование называют атомом. Электроны, находящиеся на верхних орбитах определяют их способность вступать в соединения с другими атомами. Здесь мы вступаем в область химии, и условность границ раздела между физикой и химией в данном случае очевидна. Наименьшей структурной единицей сложного химического соединения является молекула ( в том числе и одноатомная).Число возможных комбинаций атомов, определяющих число химических соединений, составляет около 106. Некоторые атомы (углерод, водород и др.) способны образовывать сложные молекулярные цепи, являющиеся основой образования макромолекул, проявляющие также и биологические свойства. Макротела. При достаточно низких температурах практически все тела являются твердыми. В них атомы не могут значительно удаляться от своих равновесных положений. Твердые тела имеют различные механические, тепловые, электрические, магнитные, оптические и другие свойства, которые определяются не только характером атомов, но и их взаимным расположением (алмаз и углерод). При нагревании твёрдых тел происходит плавление и переход в жидкое состояние. В жидкостях атомы уже не являются строго локализованными, тепловое движение атомов и молекул носит довольно сложный характер. При дальнейшем повышении температуры - жидкости превращаются в газообразное состояние. Газы с хорошей точностью подчиняются статистическим и термодинамическим закономерностям (см. п. 7). При вecьмa значительном повышении температуры среды (до 104 - 105К) происходит ионизация атомов, т.е. распад их на ионы и свободные электроны. Такое состояние вещества называют плазмой. Плазма в противовес газам может проявлять коллективные свойства, что сближает их с конденсированным состоянием, т.е. с твердыми телами и жидкостями. Планеты. Следующей ступенью в иерархии объектов природы являются макротела астрономического масштаба - планеты, изучение которых по существу только начинается. Однако, уже ceйчас ясно, что условия в которых находится вещество многих планет, отличаются от земных (так Юпитер, превосходящий по размерам Землю почти в 10 раз, вероятно, находится в жидком состоянии, исключая центральные области планеты, которые, по-видимому, состоят из металлического водорода). Однако в составе вещества планет не обнаружено никаких новых химических элементов по сравнению с земными. ^ Как ни странно, но физики гораздо лучше представляют себе состояние вещества внутренних областей звёзд, чем планет. Так центральные области Солнца имеют температуру 107 К и давление 1016 Па. В этих условиях вещество полностью ионизировано (плазма) и при этом становятся возможными термоядерные реакции, окончательным итогом которых является слияние ядер водорода и превращение их в ядра гелия. Эта термоядерная реакция служит источником энергии звезд. По мере потери энергии звезды уплотняются. Происходит захват электронов протонами с превращением последних в нейтроны, при этом одновременно испускаются нейтрино. В результате такой реакции уменьшается заряд ядра (при неизменной его массе), что, вообще говоря, приводит к уменьшению энергии связи ядра. В конце концов, ядра, содержащие слишком много нейтронов, станут неустойчивыми и распадутся. Вещество звезды будет представлять собой сверхплотный нейтронный газ. Галактики — это звездные системы. Число звезд в них ~ 109 - 1012. Если масса звезды порядка 1030 кг (как у нашего Солнца), то масса Галактики ~ 1041 кг. Известная нам часть Вселенной содержит число галактик порядка 1011. Оставим в стороне доказательства и способы измерений, которые сделали возможным привести названные здесь числа. Замечательно то, что эти числа нам известны; конечно, некоторые из них являются только приближенными. Астрономические данные показывают, что галактики во Вселенной стремительно «разбегаются» друг от друга. Расширение Вселенной позволяет предположить, что когда-то в прошлом она занимала весьма малый объем. Это в свою очередь означает, что «дозвездное вещество» было сверхплотным и чрезвычайно горячим (температура порядка 1013 К). При таких температурах вещество может состоять в основном из излучений — фотонов и нейтрино (более подробно см. п. 11). ^ пространства и времени Важнейшая задача естествознания - создание естественно - научной картины мира. Естественно-научная картина природы образует в целом упорядоченную систему, которая по мере развития науки уточняется и пополняется. Научный язык во многом похож на повседневный язык общения людей, но и отличается от него тем, что научные термины являются, во-первых, более общими и абстрактными и, во-вторых, они более сконцентрированы и точны. Наука стремится выявить общее в предметах и явлениях, которые она изучает. Выделение общего ведет к абстракциям, т. е. отвлечению от единичного, конкретного, случайного. Наиболее общие и абстрактные понятия, идеи и концепции естествознания выражают, с одной стороны, глубокие, а с другой - общие свойства природы. Такими понятиями и концепциями оперирует в первую очередь физика как фундаментальная основа естествознания. К наиболее общим, важным, фундаментальным концепциям физического описания природы относятся материя, движение, пространство и время. Эти понятия широко используются не только в естествознании, но и во многих гуманитарных сферах, например, в искусстве, в экономике, не говоря уже о философии. Окружающий нас мир, всё существующее вокруг нас и обнаруживаемое нами посредством ощущений представляет собой материю. Материя есть философская категория для обозначения объективной реальности, которая отображается нашими ощущениями, существуя независимо от них. В классическом представлении в естествознании различают два вида материи: вещество и поле. В современном представлении к этим двум следует добавить третий вид материи - физический вакуум. Некоторые ученые в духе концепции корпускулярно-волнового дуализма объединяют вещество и поле в единый тип реальности, которая действует на наши органы чувств и взаимодействует сама с собой, проявляясь в одних условиях как вещество (физические тела, молекулы, атомы, частицы), а в других - как поле. Однако такое объединение в большей степени касается не макро-, а микромира, многие свойства которого носят квантово-механический характер. Неотъемлемый атрибут материи – движение. ^ Пространство и время - категории, обозначающие основные формы существования материи. Пространство выражает порядок существования отдельных объектов, время - порядок смены изменений явлений и объектов. Свойства пространства, свободного от силовых полей (классическая концепция): 1.Трёхмерность. 2.Плоскостность, то есть подчинение геометрии Евклида. 3.Однородность, то есть все точки пространства равноправны (пространство инвариантно по отношению к параллельному переносу) 4.Изотропность, то есть все направления равноправны (пространство инвариантно по отношению к повороту). 5.Непрерывность вплоть до 10-18 м (затем пространство становится дискретным или зернистым); квант пространства равен 10-35 м (предположительно). Свойства времени: 1.Одномерность. 2.Однородность, то есть одно и то же событие развивается одинаково в разные моменты времени. 3.Анизотропность, то есть для времени характерно выделенное направление - "стрела времени": все события развиваются от прошлого через настоящее к будущему. 4.Непрерывность вплоть до 10-23 с; квант времени равен 10-43 с (предположительно). В релятивистской механике (от лат. relativus – относительный), когда скорость движения тела сравнима со скоростью света, выявилась зависимость пространственно - временных характеристик объектов от скорости их движения. Частная теория относительности объединила пространство и время в единый континуум: пространство - время. Основанием для такого объединения послужили и постулат о предельной скорости передачи взаимодействий материальных тел - скорости света в вакууме с = 3 • 108 м/с, и принцип относительности. Из данной теории следует относительность одновременности двух событий, происшедших в разных точках пространства, а также относительность измерений длин и интервалов времени, произведенных в разных системах отсчета, равномерно движущихся относительно друг друга. Все это означает, что для реального мира пространство и время имеют не абсолютный, а относительный характер. Общая теория относительности вскрыла зависимость метрических характеристик пространства времени от распределения гравитационных масс, наличие которых приводит к искривлению пространства - времени, при этом такие категории как конечность и бесконечность также обнаружили свою относительность. ^ Установлено, что во всех инерциальных системах отсчета (движущихся без ускорения) законы классической динамики имеют одинаковую форму; в этом сущность механического принципа относительности - принципа относительности Галилея. Он означает, что уравнения динамики при переходе от одной инерциальной системы к другой не изменяются, т. е. инвариантны по отношению к преобразованию координат. Галилей обратил внимание на то, что никакими механическими опытами, проведенными в данной инерциальной системе отсчета, нельзя установить, покоится она или движется равномерно и прямолинейно. Например, сидя в каюте корабля, движущегося равномерно и прямолинейно, мы не можем определить, движется ли корабль, не выглянув в окно. Пуанкаре распространил принцип относительности на все электромагнитные процессы, а Эйнштейн использовал его для частной теории относительности. Вместе с принципом относительности в физике утвердились понятия инвариантности, инвариантов и симметрии, а также связь их с законами сохранения и вообще с законами природы. Инвариантность означает неизменность физических величин или свойств природных объектов при переходе от одной системы отсчета к другой. Из частной теории относительности вытекает ряд инвариантов для инерциальных систем отсчета: скорость света, масса, электрический заряд, интервал и д.р. Они остаются неизменными относительно преобразований Лоренца, предложенных им в 1904 г., еще до появления теории относительности, как преобразования, относительно которых уравнения Максвелла инвариантны. Релятивистский эффект замедления времени экспериментально подтвержден при исследовании нестабильных, самопроизвольно распадающихся элементарных частиц в опытах с пи-мезонами. Частная теория относительности, принципы которой сформулировал в 1905 г. А.Эйнштейн, представляет собой современную физическую теорию пространства и времени, в которой, как и в классической ньютоновской механике, предполагается, что время однородно, а пространство однородно и изотропно. Частную теорию относительности часто называют релятивистской теорией, а специфические явления, описываемые этой теорией, - релятивистским эффектом. В основе частной теории относительности лежат постулаты Эйнштейна: 1)принцип относительности: 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 источника или наблюдателя, и одинакова во всех инерциальных системах отсчета (с = 3 • 108 м/с). В соответствии с первым постулатом все инерциальные системы отсчета совершенно равноправны, т.е. явления механические, электродинамические, оптические и другие во всех инерциальных системах отсчета протекают одинаково. Согласно второму постулату постоянство скорости света в вакууме – фундаментальное свойство природы. Она не зависит от скорости движения источника и приемника света. Частная теория относительности потребовала отказа от привычных классических представлений о пространстве и времени, поскольку они противоречили принципу постоянства скорости света. Потеряло смысл не только абсолютное пространство, но и абсолютное время. Из частной теории относительности следуют новые пространственно-временные представления, такие, например, как относительность длин и промежутков времени. Симметрия – это инвариантность в неизменности свойств системы при изменении (преобразовании) её параметров. Так кристалл может быть совместим с самим собой путем поворотов, отражений, параллельных переносов и других преобразований системы. Крупнейшие открытия в физике ХХ века связаны с изучением различных симметрий. Можно расширить понятие симметрии и назвать группой симметрии такие преобразования пространства и времени, при которых формы записи уравнений или комбинации физических величин остаются неизмененными. В этом смысле говорят о симметрии физических законов, исследовании свойств симметрии физических явлений для познания фундаментальных закономерностей Природы. Вся гармония Природы должна, в конечном счете, быть выражена и обобщена принципиальным математическим единством её законов. ^ Механика - раздел физики, в котором изучаются механические движения и взаимодействия материальных тел. В настоящее время различают четыре разновидности механики: классическую, релятивистскую, квантовую и релятивистскую квантовую механику. Под механическим движением понимают изменение, с течением времени положения тел или их частей в пространстве. То есть, можно сказать, что движение происходит в пространстве и во времени. В зависимости от вида реальных тел имеем механику материальной точки, твердого тела и сплошной среды. Материальная точка - тело, размерами которого можно пренебречь по сравнению с расстоянием до других тел (в условиях данной задачи). Под твёрдым телом понимается абсолютно твёрдое тело, деформациями которого пренебрегают в условиях данной задачи. Любое твёрдое тело можно представить как систему материальных точек. К сплошной среде относятся, например: жидкости, газы. Механика подразделяется на кинематику, которая изучает движение тел без выяснения причин, их вызывающих; динамику, которая изучает законы движения взаимодействующих тел; статику, изучающую условия равновесия тел и являющуюся частным случаем динамики. ^ Физическая величина – измеряемая характеристика одного из свойств физического объекта, его состояния, процесса (например: длина  , масса m, время t и т.п.). Единица измерения физической величины – конкретная физическая величина, которой по определению присвоено числовое значение, равное единице, и применяемая для количественного выражения физических величин. Как и физические величины, их единицы измерения имеют наименования и обозначения (так, наименованием единицы измерения длины является метр, обозначение – м).В 1960г. Введена международная (интернациональная) система единиц измерения физических величин (СИ) Bсe физические величины и их единицы измерения разделяют на основные, дополнительные и производные. Основная физическая величина – величина, условно принятая в качестве независящих от других величин. Производная физическая величина – величина, определяемая через основные физические величины посредством математических формул (к примеру, скорость  , ускорение  ). В СИ приняты семь основных и две дополнительные единицы измерения. Основные единицы измерения 1. Длина - метр.. (м), 2. Масса - килограмм.. (кг), 3. Время - секунда.. (с), 4. Сила электрического тока - ампер.. (А), 5. Термодинамическая температура - кельвин.. (К). T==273,15+t°C. 6. Количество вещества - моль.. (моль); 7. Сила света - кандела (свеча по-латински).. (кд). Дополнительные единицы измерения 1. Плоский угол - радиан.. (рад); 2. Телесный угол - стерадиан..(ср); Производные единицы, например, Н, Дж, Вт, В, Ом, Ф, Тл и др., Более широкими понятиями (категориями) нежели физическая величина являются явление и свойство тела. Их сущность раскрывается в следующих примерах. Инерция – явление сохранения состояния покоя или равномерного прямолинейного движения. Инертность – свойство тела сохранять состояние покоя или равномерного прямолинейного движения. В общем смысле – сохранять какое-то состояние. Масса – скалярная физическая величина, характеризующая инертность тела. В более широком смысле масса – одна из основных характеристик материи, определяющая её инерционные (инертная масса  ) и гравитационные (гравитационная масса  ) свойства. Силы инерции в ускоренной системе отсчета эквивалентны гравитационным силам. Этот факт называют, принципом эквивалентности Эйнштейна. При соответствующем выборе единиц измерения mu и mгр принимают mu = mгр. Кинематика поступательного движения оперирует следующими физическими величинами: время t, путь , перемещение , скорость  и ускорение  .Линия, описываемая в пространстве движущимся телом, называется траекторией. Расстояние между двумя точками, измеренное вдоль траектории, есть длина пути, или просто путь. Вектор  , соединяющий две точки траектории (например, начальную и конечную), называют перемещением. Кинематика основывается на двух формулах, которые описывают равномерное, равнопеременное и неравномерное движение тел (материальных точек):   ,  ,где - скорость - векторная физическая величина, характеризующая быстроту перемещения тела ( );  - ускорение – векторная физическая величина, характеризующая быстроту изменения вектора скорости.  Интегрируя последние формулы можно получить уравнения для любых видов движения в явном виде. Например, для равнопеременного движения ( =const):   .^ – это совокупность системы координат и часов, связанных с некоторым телом, по отношению к которому определяется положение других тел в различные моменты времени. Системы отсчета подразделяются на инерциальные, т.е. покоящиеся или движущиеся равномерно и прямолинейно, и неинерциальные, перемещающиеся с ускорением. ^ Классическая механика сыграла и играет до сих пор огромную роль в развитии естествознания. Она объясняет множество физических явлений и процессов в земных и внеземных условиях, составляет основу для многих технических достижений в течение длительного времени. На ее фундаменте формировались многие методы научных исследований в различных отраслях естествознания. В основе классической механики лежит концепция Ньютона. Её сущность наиболее кратко и отчётливо выразил А. Эйнштейн: «Согласно ньютоновской системе физическая реальность характеризуется понятиями пространства, времени, материальной точки и силы (взаимодействия материальных точек). В ньютоновской концепции под физическими событиями следует понимать движение материальных точек в пространстве, управляемое неизменными законами». В 1667 г. Ньютон сформулировал три закона динамики, составляющие основной раздел классической механики. Законы Ньютона играют исключительную роль в механике и являются (как большинство физических законов) обобщением результатов огромного человеческого опыта, о чем сам Ньютон образно сказал: «Если я видел дальше других, то потому, что стоял на плечах гигантов». 3аконы Ньютона рассматривают обычно как систему взаимосвязи законов. ^ Ньютона: всякая материальная точки (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 равномерного прямолинейного движения называется (как отмечалось) инерцией (см.п.п.4.1.). Поэтому первый закон Ньютона называют также законом инерции. ^ утверждает, что скорость изменения импульса пропорциональна приложенной к телу силе и имеет тоже направление:  ,При неизменной массе тела (m =const):  , где  - результирующая сила. Импульс  - векторная физическая величина, характеризующая меру поступательного движения и равная произведению массы тела на его линейную скорость:  ,   .Сила - векторная физическая величина, характеризующая меру взаимодействия тел.  =  = Третий закон Ньютона: силы, с которыми два тела действуют друг на друга, равны по модулю и противоположны по направлению:  . (Следует иметь в виду, что эти силы приложены к разным телам).^ Все силы, встречающиеся в природе, сводятся к силам гравитационного притяжения, электромагнитным силам, слабым и сильным взаимодействиям. В классической механике различают гравитационные силы: силы тяжести  и тяготения, упругие силы, силы трения, вес  тела, которые являются по своей природе электромагнитными.В соответствии с установленным Ньютоном законом всемирного тяготения сила тяготения гравитационного взаимодействия двух материальных точек.  , где r - расстояние между материальными точками, m1 и m2 - их массы, G – коэффициент пропорциональности, называемый гравитационной постоянной, G = 6,67-10-11  . ^ Совокупность взаимодействующих тел называют механической системой. Силы, действующие между телами системы, называют внутренними, а со стороны тел, не принадлежащих этой системе, - внешними. Если действием внешних сил можно пренебречь, то систему называют замкнутой или изолированной. Полный импульс всех тел замкнутой системы не изменяется со временем (это и есть закон сохранения импульса):  В основе закона сохранения импульса лежит одно из свойств симметрии пространства, а именно однородность пространства – инвариантность физических законов относительно параллельных пространственных сдвигов замкнутых систем, то есть одинаковость свойств пространства во всех точках. ^ Работа А силы – скалярная физическая величина, характеризующая меру действия силы, приложенной к телу. Работа постоянной силы на конечном перемещении  :  где  - угол между и . За единицу измерения работы в СИ принят джоуль:  .Мощность N – скалярная физическая величина, характеризующая быстроту (скорость) совершения работы:  , Вт. Энергия – скалярная физическая величина, характеризующая общую количественную меру движения и взаимодействия всех видов материи. В механике используют также более краткое определение: механическая энергия – скалярная физическая величина, характеризующая способность тела совершать работу. Один из видов механической энергии – кинетическая энергия  – энергия движения, определяемая массой тела и его скоростью. При   . Положительная работа внешних сил увеличивает кинетическую энергию тела:  . Другой вид механической энергии – потенциальная энергия,  – скалярная физическая величина, характеризующая взаимодействие тел, зависящее от их взаимного расположения. Для тел, удаленных друг от друга на бесконечно большое расстояние, их потенциальная энергия равна нулю.При положительной работе сил взаимодействия потенциальная энергия уменьшается:  . Для тел массой  , расположенных на Земле или в близи неё  .Потенциальная энергия гравитационного притяжения двух материальных точек (см.п. 6.4)  отрицательна; для увеличения  необходимо воздействие внешних сил. ^ Механическая энергия  системы материальных точек, находящихся под действием консервативных сил, остается постоянной. В такой системе могут происходить лишь превращения потенциальной энергии  в кинетическую и обратно, но полный запас энергии системы измениться не может. При наличии неконсервативных сил (например, сил трения, сил сопротивления…) механическая энергия системы не сохраняется, она уменьшается, что приводит к нагреванию системы. Такой процесс называется диссипацией (рассеянием) энергии.Силы называют консервативными, если их работа зависит только от начального и конечного положений тела. Работа консервативной силы по замкнутой траектории равна нулю. Примером консервативной силы является сила тяготения  . материальных точек массами  и  (см. закон всемирного тяготения п.п. 4.2).Закон сохранения механической энергии математически выглядит так:  ,где  – механическая энергия материальной точки.Этот закон связан с однородностью времени, то есть с инвариантностью физических законов относительно выбора начала отсчета времени. ^ Классическая механика учитывает только кинетическую энергию макроскопического движения тел и их макроскопических частей, а также их потенциальную энергию. Но она полностью отвлекается от внутреннего атомистического строения вещества. При ударе, трении и аналогичных процессах кинетическая энергия видимого движения тел не пропадает. Она только переходит в кинетическую энергию невидимого беспорядочного движения атомов и молекул вещества, а также в потенциальную энергию их взаимодействия. Эта часть энергии получила название внутренней энергии. Беспорядочное движение атомов и молекул воспринимается нашими органами чувств в виде тепла. Таково физическое объяснение кажущейся потери механической энергии при ударе, трении и пр. В физике закон сохранения энергии распространяют не только на явления, рассматриваемые в механике, но и на все без исключения процессы, происходящие в природе. Полное количество энергии в изолированной системе тел и полей всегда остается постоянным; энергия лишь может переходить из одной формы в другую. Идея этого закона принадлежит Ломоносову, изложившему закон сохранения материи и движения.  ,где  ,( – количество теплоты,  – энергия излучения света)Общефизический закон сохранения энергии не может быть выведен из уравнений механики и должен рассматриваться как одно из наиболее широких обобщений опытных фактов. ^ 5.1. Гармонические колебания и их характеристики Колебание – это периодически повторяющийся процесс. Колебания делятся на свободные и вынужденные. В свою очередь свободные колебания разделяются на незатухающие, когда амплитуда колебаний со временем не изменяется, и затухающие. Простейшим случаем свободных незатухающих колебаний являются гармонические колебания. В этом случае смещение  тела от положения равновесия изменятся по закону синуса или косинуса.Уравнение гармонических колебаний имеет вид:  ,где  – амплитуда или максимальное смещение; w - циклическая частота, (wt+j0) и j0 – соответственно фаза и начальная фаза колебаний. где Т – период колебаний,  частота, измеряется в герцах (Гц).Чисто гармонических колебаний в природе нет. Но любой колебательный процесс можно представить как сумму гармонических колебаний, которые совершают только идеализированные системы. К ним, к примеру, относятся математический, пружинный и физический маятники (механические осцилляторы). Примерами колебаний в биологии являются биоритмы (см. п.п.15.5), например, сокращения миокарда, в химии – «химические часы» (см. п.п.16.3), в экономике – экономические циклы, т.е. цикличность экономического развития, заключающаяся в чередовании основных фаз цикла: подъем, спад, депрессия. ^ Вынужденные колебания возникают при действии на колебательную систему внешней силы, изменяющейся со временем по гармоническому закону:  , где  и  - амплитуда и циклическая частота вынуждающей силы.Резонанс – это явление резкого увеличения амплитуды вынужденных колебаний при приближении частоты внешних воздействий к частоте собственных колебаний системы. Данное явление следует учитывать при конструировании мостов, машин, кораблей, самолетов и т.д. Необходимо, чтобы частоты их колебаний не совпадали с частотой внешних воздействий. ^ Если возбудить колебания в какой-то точке среды (твердой, жидкой или газообразной), то они распространяются в этой среде с конечной скоростью от одной точки среды к другой. Процесс распространения колебаний в пространстве называется волновым процессом или волной. При распространении волны частицы среды не движутся вместе с ней, а колеблются около своих положений равновесия, при этом происходит перенос энергии волны. Среди разнообразных волн, встречающихся в природе и технике, выделяются следующие типы: волны на поверхности жидкости, упругие и электромагнитные волны. Упругими волнами называются механические возмущения, распространяющиеся в упругой среде. Они бывают продольными и поперечными. В продольных волнах частицы среды колеблются в направлении распространения волны; в поперечных – в плоскостях, перпендикулярных к направлению распространения волны. Уравнение плоской упругой волны, распространяющейся вдоль положительного направления оси х в среде, не поглощающей энергию, имеет вид:  ,где  – смещение колеблющихся частиц, k – волновое число,  , где l – длина волны  .^ Волны называются когерентными, если разность их фаз остается постоянной во времени. Когерентными могут быть волны, имеющие одинаковую частоту. При наложении в пространстве когерентных волн в зависимости от соотношения между фазами этих волн наблюдается усиление или ослабление результирующей волны. Это явление называют интерференцией. Дифракцией называется явление огибания волнами препятствий на их пути, если размеры препятствий соизмеримы с длиной волны. Благодаря дифракции волны могут огибать препятствия, проникать через небольшие отверстия в экране и т.д. Например, звук хорошо слышен за углом дома, так как звуковые волны его огибают. ^ 6.1. Концепции близкодействия и дальнодействия Взаимодействие – это воздействие тел или частиц друг на друга, приводящее к изменению их первоначального состояния (движения, положения). В классической механике взаимодействие характеризуется силой. Более общей характеристикой взаимодействия является потенциальная энергия. Первоначально имело место представление о том, что взаимодействие может осуществляться непосредственно через пустое пространство, которое не принимает участие в передаче взаимодействия, причем эта передача происходит мгновенно. В этом состояла концепция дальнодействия. Однако, после открытия и исследования электромагнитного поля эти представления были признаны несостоятельными. Возникла новая концепция – концепция близкодействия, согласно которой взаимодействие между телами осуществляется посредствам тех или иных полей, непрерывно распределенных в пространстве. После появления квантовой теории поля эта концепция претерпела изменения: любое поле не непрерывно, а имеет дискретную структуру. Каждому полю соответствуют определенные частицы. ^ К настоящему времени известны 4 вида фундаментальных взаимодействий:
|
отлично
1 