Основные положения классического естествознания

1. 
   В природе нет случайности. Все в ней закономерно.
   
2. 
   Если эти закономерности установлены, то они формулируются в однозначно определенной форме. (Лапласовский детерменизм или «демон Лапласа» – «мы должны рассматривать существующее состояние Вселенной как следствие предыдущего состояния и как причину последующего».)
   
3. 
   классическое естествознание – экспериментальное естествознание. исследователь и прибор являются внешними по отношению к исследуемому объекту факторами. Они не влияют на результаты измерений.
   
4. 
   Материя в классическом естествознании может существовать или в виде вещества или в виде поля.
   

3. 
   Микро- и макросостояния сложных систем.
   

Однако, помимо простых, существуют сложные системы, которые состоят из большого числа переменных и стало быть большого количества связей между ними. Чем оно больше, тем труднее исследование объекта, выведение закономерностей его функционирования. Трудность изучения таких систем объясняется еще и тем обстоятельством, что чем сложнее система, тем больше у нее так называемых эмерджентных свойств, т.е. свойств, которых нет у ее частей и которые являются следствием эффекта целостности системы.

Подобные сложные системы изучает, например, метеорология— наука о климатических процессах. Именно потому, что метеорология изучает сложные системы, процессы образования погоды гораздо менее известны, чем гравитационные процессы, что, на первый взгляд, кажется парадоксом. Действительно, чем можно точно определить, в какой точке будет находиться Земля или какое-либо другое небесное тело через миллионы лет, а предсказать погоду на завтра удается не всегда? Потому, что климатические процессы представляют гораздо более сложные системы, состоящие из огромного количества переменных и взаимодействий между ними.

Разделение систем на простые и сложные является фундаментальным в естествознании. Среди всех сложных систем наиболь­ший интерес представляют системы с так называемой обратной связью. Это еще одно важное понятие современного естествознания.

4. 
   Полуклассическая теория атома водорода.
   

Используя «смешанные» квантово-классические соображения – условие квантования момента импульса и основной закон динамики для вращательного движения (второй закон Ньютона) – Бор получил аналитическое выражение для радиусов стационарных орбит:,здесь q- заряд электрона, n=1,2,3…главное квантовое число, диэлектрическая постоянная,

Вычисление радиуса первой орбиты электрона по этой формуле дает следующий результат: м=5,3 нм. Это значение почти точно совпадает с результатами современных измерений.

Продолжая развивать аналогию между устройством атома и солнечной системы, можно, зная радиус любой из стационарных орбит, легко вычислить энергию соответствующего состояния атома:

Состояние, соответствующее n=1, является основным состоянием, в котором энергия атома водорода минимальна.

Второй постулат Бора позволяет определить спектр излучения атома водорода: энергия излучаемого атомом фотона равна разности энергий и , соответствующих тем уровням, между которыми происходит квантовый переход (n – номер того уровня, с которого осуществляется переход),

На основе своих постулатов Бор вывел формулу, описывающую спектр излучения атома водорода:

Это соотношение совпадает с формулой Бальмера. Подставив известные в то время значения для q, m, h Бор получил число, лишь на несколько процентов отличающееся от приведенного Бальмером значения постоянной Ридберга. Бор независимо от Бальмера получил формулу, описывающую спектр атома водорода. Она являлась следствием, вытекающим из построенной Нильсом Бором полуклассической теории атома.
Экзаменационный билет №37.

1. 
   Классическая механика Ньютона. “Математические начала натуральной философии”. Основные идеи, изложенные в главном научном труде И.Ньютона.
   

В основе классической механики Ньютона лежит система взглядов на пространство и время.

Ньютон, раскрывая сущность времени и пространства, характеризует их как «вместилища самих себя и всего существующего. Во времени все располагается в смысле порядка последовательности, в пространстве – в смысле порядка положения».

Классическая механика была изложена Ньютоном в книге «Математические начала натуральной философии». Ньютоновская концепция пространства и времени, на основе которой строилась физическая картина мира, оказалась господствующей вплоть до конца 19 века.

Основные положения этой картины мира заключаются в следующем.

• 
  Пространство считалось:
  
  • 
    бесконечным,
    
  • 
    плоским или евклидовым (его метрические свойства описывались геометрией Евклида).
    
  • 
    пустым,
    
  • 
    абсолютным (не зависящим от состояния движения тела отсчета),
    
  • 
    однородным (нет выделенных точек),
    
  • 
    изотропным (нет выделенных направлений).
    

• 
  Время понималось:
  
  • 
    однородным,
    
  • 
    равномерно текущим (оно идет сразу и везде во всей Вселенной «единообразно и синхронно» и выступает как независимый от материальных объектов процесс длительности),
    
  • 
    абсолютным (не зависящим от состояния движения тела отсчета).
    

Кроме основных представлений о пространстве и времени она содержала:

1. 
   Понятия массы, силы, инерции, ускорения.
   
2. 
   Основные законы движения материальной точки.
   
3. 
   Закон всемирного тяготения.
   
4. 
   Принцип относительности и закон сложения скоростей Галилея.
   

В механике Ньютона движение тела происходит по строго определенным траекториям, то есть всегда можно одновременно измерить его координаты и его скорость (или импульс).

Большинство явлений, происходящих в природе, подтверждали справедливость построенной Ньютоном механистической картины мира.

2. 
   Релятивистский закон сложения скоростей. Примеры.
   

Если v < в знаменателе можно пренебречь. Тогда получится классический закон сложения скоростей: v₂=v₁+v; при v₁=c скорость v₂ также равна с, как этого требует второй постулат ТО. Действительно:

Свойством релятивистского сложения скоростей является то, что при любых скоростей v₁ и v₂ (конечно, не превышающих с) результирующая скорость не превышает с. В предельном случае при v₁=v₂=c, получаем .

3. 
   Сила трения скольжения и сила трения покоя.
   

,где коэффициент трения покоя зависит от материала тел и качества поверхностей и не зависит от площади соприкасающихся тел. Направлена эта сила против относительного виртуального перемещения, т.е. если вдруг брусок начнет движение (хотя он и не движется вообще), то сила трения будет направлена в противоположную движению сторону. Когда тело начинает движение, трение покоя сменяется динамическим трением скольжения. Сила трения скольжения также определяется формулой , однако коэффициент трения скольженияμ будет уже другим. В большинстве случаевμ<μ₀ и сила трения не зависит от скорости, хотя и есть случаи весьма сложной зависимости от скорости. Сила трения скольжения направлена против относительного перемещения.

4. 
   Дуализм “волна – частица”.
   

Фотоэффект и эффект Комптона подтверждали квантовую природу света. Явления интерференции и дифракции света говорили о том, что свет – это волна. А что такое свет (электромагнитные волны) на самом деле? Свет это некое образование особого рода, обладающее одновременно волновыми и корпускулярными свойствами (корпускулярно – волновой дуализм).

В 1923 году выпускник Сорбонны французский физик принц Луи де Бройль высказал предположение (гипотезу) о том, что корпускулярно – волновой дуализм присущ не только свету, но и частицам вещества. Он рассуждал следующим образом. Кванты света с длиной волны имеют импульс , величина которого определяется по формуле:.

Любой частице вещества, имеющей импульс , можно поставить в соответствие волну, длина волны которой определяется соотношением:.
Экзаменационный билет №38.

1. 
   Явление электромагнитной индукции. Закон Фарадея-Ленца.
   

Явление электромагнитной индукции заключается в возникновении электрического тока в замкнутом электропроводящем контуре при изменении магнитного потока через площадь этого контура.

Закон Фарадея-Ленца: электродвижущая сила электромагнитной индукции в проводящем контуре численно равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром.

2. 
   Классическая стратегия естественнонаучного мышления. Объективность научного знания с точки зрения КСЕМ. “Прозрачность” измерительного прибора.
   

Во многом поиск решения проблем и ответов на вопросы определяется формированием такого типа мышления и методов познания, которые позволяют выявить фундаментальные закономерности и универсальные принципы, управляющими процессами в окружающем мире. Стратегия познавательной деятельности рождалась из наблюдений и размышлений о мире в целом. Сумма получаемых сведений постепенно складывалась в совокупность устойчивых представлений об однозначной воспроизводимости результатов наблюдений в известных условиях. С развитием наук подобная система представлений получила название классической стратегии естественно-научного мышления (КСЕМ). Представления, которые рождаются на основе КСЕМ, всегда наглядны. Они так или иначе воспроизводят реальные предметы ( КСЕМ в полной мере адекватна природе). Прекрасным примером классического понимания природы является второй закон Ньютона.

Основные положения классического естествознания:

1. В природе нет случайности. Все в ней закономерно.

2. Если эти закономерности установлены, то они формулируются в однозначно определенной форме. (Лапласовский детерменизм или «демон Лапласа» – «мы должны рассматривать существующее состояние Вселенной как следствие предыдущего состояния и как причину последующего».)

3. классическое естествознание – экспериментальное естествознание. исследователь и прибор являются внешними по отношению к исследуемому объекту факторами. Они не влияют на результаты измерений.

4. Материя в классическом естествознании может существовать или в виде вещества или в виде поля.

3. 
   Неустойчивость планетарной модели атома с точки зрения классической физики.
   

Резерфорд рассматривал возможность планетарной модели атома, в котором электроны, подобно планетам Солнечной системы, вращаются вокруг своего “солнца” – атомного ядра. Однако такая модель, рассматриваемая с классической точки зрения, как и любые ускоренно движущиеся заряды, должны были излучать электромагнитные волны и, теряя энергию, постепенно падать на ядро.

4.Гармонические колебания. Параметры колебаний. Создатели квантовой механики.

Гармоническими называют колебания, в которых интересующая нас величина х (например, линейное или угловое смещение из положения равновесия) изменяется со временем t по закону: .Здесь: A- амплитуда (максимальное значение величины х). Измеряется в единицах величины х. Определяется начальными условиями. -фаза колебания -определяет мгновенное значение величины х в момент времени t. φ - начальная фаза колебания - определяет значение величины х в момент времени t=0. ω₀ -собственная циклическая (круговая) частота колебаний. Измеряется в Гц. Определяется параметрами колебательной системы.

Кроме названных величин колебательное движение характеризуется такими величинами как период и частота.

Период колебания Т- это время, за которое совершается одно полное колебание. Измеряется в секундах.

Частота колебания (линейная частота)- это скалярная физическая величина равная числу колебаний, совершаемых за единицу времени. Измеряется в герцах.

Квантовая механика- это физическая теория, устанавливающая способ описания и законы движения на микроуровне. Её появление совпало с началом века. М. Планк в 1900 году предположил, что свет испускается неделимыми порциями энергии- квантами и математически представил это в виде формулы Е=hν,, где ν частота света, а h- универсальная постоянная, характеризующая меру дискретной порции энергии, которой обмениваются вещество и излучение. Последующее изучение явлений микромира привело к результатам, которые резко расходились с общепринятыми в классической физике и даже в теории относительности представлениями. Классическая физика видела свою цель в описании объектов, существующих в пространстве, и в формулировке законов, управляющих их изменениями во времени. Но для таких явлений, как радиоактивный распад, дифракция, спектр излучений можно утверждать лишь, что имеется некоторая вероятность того, что индивидуальный объект таков и что он имеет какое-то свойство. В создание квантовой теории внесли вклад Резерфорд, Планк, Эйнштейн, де Бройль, Бор, Зоммерфельд, Паули, а также Дирак, Гейзенберг, Шредингер и др.

Экзаменационный билет №39.

1. 
   Принцип относительности Г.Галилея. Классический закон сложения скоростей. Примеры.
   

Принцип относительности Галилея: внутри равномерно движущейся системы все механические процессы протекают так же, как и внутри покоящейся.

Принцип относительности Галилея-Ньютона:

• 
  во всех инерциальных системах отсчета (ИСО) механические процессы протекают одинаково;
  
• 
  никакой механический эксперимент не позволяет нам выделить из совокупности ИСО какую-либо одну преимущественную систему отсчета;
  
• 
  все законы природы одинаковы во всех ИСО (инвариантны относительно перехода из одной ИСО в другую ИСО).
  

Отсюда следует:

• 
  все ИСО равноправны;
  
• 
  не бывает абсолютного покоя и абсолютного движения.
  

Закон сложения скоростей Галилея- формула преобразования скорости при переходе из одной ИСО K’ в другую ИСО K:

- скорость движения тела, которую измеряет наблюдатель в неподвижной ИСО K, если оно движется относительно ИСО K’со скоростью .

t-=t’. x=x’+vt. y=y’. z=z’

2. 
   Закон Кулона. Примеры его применения.
   

Заряды взаимодействуют друг с другом. Величина силы, с которой заряды одного знака отталкиваются друг от друга, а заряды разного знака притягиваются друг к другу, определяется с помощью эмпирически установленного закона Кулона:

. Здесь , – электрическая постоянная.

3. 
   Классическая стратегия естественнонаучного мышления. Объективность научного знания с точки зрения КСЕМ. “Прозрачность” измерительного прибора.
   

Во многом поиск решения проблем и ответов на вопросы определяется формированием такого типа мышления и методов познания, которые позволяют выявить фундаментальные закономерности и универсальные принципы, управляющими процессами в окружающем мире. Стратегия познавательной деятельности рождалась из наблюдений и размышлений о мире в целом. Сумма получаемых сведений постепенно складывалась в совокупность устойчивых представлений об однозначной воспроизводимости результатов наблюдений в известных условиях. С развитием наук подобная система представлений получила название классической стратегии естественно-научного мышления (КСЕМ). Представления, которые рождаются на основе КСЕМ, всегда наглядны. Они так или иначе воспроизводят реальные предметы ( КСЕМ в полной мере адекватна природе). Прекрасным примером классического понимания природы является второй закон Ньютона.

Основные положения классического естествознания:

-В природе нет случайности. Все в ней закономерно.

-Если эти закономерности установлены, то они формулируются в однозначно определенной форме. (Лапласовский детерменизм или «демон Лапласа» – «мы должны рассматривать существующее состояние Вселенной как следствие предыдущего состояния и как причину последующего».)

-классическое естествознание – экспериментальное естествознание. исследователь и прибор являются внешними по отношению к исследуемому объекту факторами. Они не влияют на результаты измерений.

-Материя в классическом естествознании может существовать или в виде вещества или в виде поля.

4. 
   Макс Борн. Физическая интерпретация смысла волновой функции.
   

Идея относительно физического смысла волновой функции принадлежит Максу Борну (1882-1970). Он ввел понятие квантовомеханической вероятности. Борн утверждал: все, что можно вычислить в теории атома – это вероятность получения того или иного результата.

В квантовой механике состояние микрочастиц описывается с помощью волновой функции. Волновая функция является основным носителем информации о корпускулярных и волновых свойствах микрообъекта.

Произведение квадрата модуля амплитуды волновой функции на элемент объема равно вероятности обнаружить частицу в этом элементе объема : .

Вероятность нахождения реальной частицы в какой-либо точке бесконечно протяженного пространства равна единице, т.е.:. Это соотношение называют условием нормировки волновой функции.

жүктеу/скачать 407.5 Kb.

Достарыңызбен бөлісу: