Учебно-методическое пособие Омск Издательство Сибади 2005 (стр. 4 из 18)

● изотропность (отсутствие верха, низа и др.).

К специфическим свойствам времени относятся:

1) длительность;

2) единство прерывного и непрерывного;

3) необратимость;

4) одномерность (линейная последовательность событий: от прошлого через настоящее к будущему);

5) конкретная длительность существования материальных систем (время от их возникновения до распада, ритмы, циклы);

6) неодновременность событий в разных системах.

Кроме физического пространства и времени, иногда выделяют в качестве самостоятельных: биологическое, социальное, индивидуальное, художественное, историческое и др. пространства и время. Основания для этого есть, т.к. во всех этих специфических системах проявляются в большинстве общие пространственно-временные свойства.

Для изучения материального мира его объекты – тела, элементарные частицы, электромагнитные поля и др. – заменяют моделями. Различают следующие основные их виды: классическая, или механическая, модель – материальная точка, система материальных точек; полевая модель – применяется для изучения материи в виде макроскопического физического поля; квантово-релятивистская модель – используется для изучения материи в микромире.

Объектом исследования классической механики является макроскопическое тело, заменяемое материальной точкой, в релятивистской механике основной объект – элементарная частица.

Физические объекты – тела, поля, элементарные частицы – отличаются друг от друга рядом свойств, характеризующихся физическими величинами. Универсальными, т.е. применимыми во всей изученной области пространства, являются энергия, импульс и момент импульса. Эти же величины характеризуют элементарные частицы. Что касается макроскопического поля, то оно обладает энергией, импульсом и моментом импульса, распределенным в пространстве с той или иной плотностью.

Контрольные вопросы

1.Каким образом человек сумел проникнуть в чрезвычайно большие масштабы и оценить размеры несравненно большие его самого?

2.Какие малые расстояния человек сумел оценить и каким образом получил о них представление?

3.Геометрическая модель пространства и времени.

4.Как измеряется время? С каким движением связан календарь и что лежит в основе единиц измерения – недели, года, месяца?

5.Как понимаются понятия «пространство» и «время» в разных науках?

6.Основные положения СТО. Кинематические следствия СТО.

7.Чем отличается поле от вещества?

Библиографический список

Основной:

[1, гл. 7, 8, 10];

[2, разд. 1, гл. 2, § 1-4];

[3, гл. 3, § 3.2, 3.4 – 3.6].

Дополнительный: [5, 22, 23, 25, 68, 70].

Семинар 3. КЛАССИЧЕСКАЯ ФИЗИКА И ЗАКОНЫ НЬЮТОНА

В ОБЩЕЙ СИСТЕМЕ ЗНАНИЙ. МЕХАНИЧЕСКАЯ КАРТИНА

МИРА

Научная революция ХХ в. началась с работ Коперника, Галилея, Кеплера и Декарта. Появление в 1687 г. «Математических начал натуральной философии» И.Ньютона явилось логическим завершением этих работ и оказало значительное влияние на дальнейшее развитие науки. В своих «Началах» И.Ньютон разработал фундаментальные понятия и физико-математические теории естествознания.

В основу первой физической картины мира легла теория всемирного тяготения. Разработанные Ньютоном понятия силы, взаимодействия, инерции и др. позволили ему создать совершенно новую науку – классическую механику. Классическая механика – наука о законах движения и равновесия макроскопических материальных тел.

В честь творца классическую механику часто именуют ньютоновской, а основные принципы механики известны под названием законов Ньютона. Приведем формулировки законов, данные Ньютоном, в переводе академика А.Н.Крылова.

Закон 1. Всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние.

Закон 2. Изменение количества движения пропорционально приложенной движущей силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует.

Закон 3. Действие всегда есть равное и противоположное противодействие, иначе взаимодействие двух тел друг с другом равны и направлены в противоположные стороны.

Первый закон, по сути, – это закон инерции. Второй является стержнем всей механики, поскольку количество движения, по Ньютону, есть произведение массы тела на его скорость, т.е. m·u, а математическая формула имеет следующий вид: d(m·u)/dt=F. В первом и втором законах говорится о теле, считающемся материальной точкой. В первом оно изолировано от всех остальных тел, во втором рассматривается действие на него другого тела без анализа последствий этого действия для другого тела. В третьем законе Ньютона рассматриваются два тела, моделируемые материальными точками. Точки на расстоянии взаимодействуют между собой.

Анализ основного уравнения динамики позволяет рассмотреть причинно-следственные связи при механическом движении. Зная силы, можно определить мгновенные значения ускорений и, располагая скоростями всех точек, найти положение и скорость их в последующий момент времени. Сам же принцип причинности в классической механике состоит в том, что состояние системы материальных точек однозначно определяется их взаимодействием и начальными условиями. Все последующие состояния предопределены предыдущими. Однако большие ансамбли частиц невозможно описать с помощью законов Ньютона. Даже небольшое тело состоит из очень большого (примерно 10²⁶ ) числа молекул. Столкновения молекул носят вероятностный характер. Кроме того, оказалось, что для микрочастиц невозможно одновременно абсолютно точно определить скорость частицы и ее координату. Поэтому область применения классических законов механики ограничена.

Для многих ученых того времени работа Ньютона оставалась сложной для понимания и поэтому долгое время была невостребованной. Однако развитие науки, и прежде всего необходимость развития техники, все чаще заставляла обращаться к работам Ньютона, которые, казалось бы, оперировали абстрактными объектами. В последующие 200 лет картина мира, созданная Ньютоном, была, по существу, единственной, пока не была дополнена электродинамикой и статистической физикой.

Необходимо отметить, что теория И. Ньютона опиралась на строгие методологические принципы построения конкретно-научных теорий. К ним относятся:

1) математический язык;

2) закон и начальные условия;

3) метод принципов;

4) гипотетико-дедуктивная структура научной теории.

Наука уже признавала опыт как способ создания научной теории. Достаточно высокий уровень развития математики позволил воспользоваться математическим аппаратом для построения физических закономерностей.

Механическая картина мира (МКМ) складывалась под влиянием материалистических представлений о материи и формах ее существования. Ядром МКМ является механика Ньютона – классическая механика.

Важнейшими принципами МКМ являются:

Принцип относительности: Все инерциальные системы отсчета с точки зрения механики совершенно равноправны (эквивалентны).

Принцип дальнодействия: Взаимодействие передается мгновенно, и промежуточная среда в передаче взаимодействия участия не принимает.

Принцип причинности (лапласовский детерминизм): Всякое имеющее место явление связано с предшествующим на основании того очевидного принципа, что оно не может возникнуть без производящей причины.

Законы классической механики, впервые сформулированные И. Ньютоном, не потеряли своего значения и в настоящее время. Динамика Ньютона была проверена на многочисленных объектах Солнечной системы. Она впервые позволила решать любые задачи о положении движущегося тела в любой момент времени как в прошлом, так и в будущем. Однако развитие науки накладывает ограничение на область выполнения законов механики при рассмотрении движения макротел со скоростями, близкими к скорости света.

Контрольные вопросы

1.Появление законов Ньютона – закономерный результат обобщения знаний, накопленных предыдущими поколениями.

2.Как вы понимаете принцип относительности Галилея? Приведите примеры. Что такое универсальная гравитационная постоянная?

3.Принцип причинности в классической механике. Принцип механического детерминизма (детерминизм Лапласа).

4.Основные понятия динамики. Система законов Ньютона – основа классической механики.

5.Как можно вырваться из поля действия земного притяжения? Луны? Солнца?

6.Поясните понятия инертной и гравитационной массы. Предположим, вы попали в мир, где гравитационная масса m не равна инертной массе M?, m=M². Что изменится в законах падения тел?

7.Изменится ли ваш вес при переезде с экватора на полюс? по каким причинам и на сколько? Каково внутреннее строение Земли?

8.Границы применимости классической механики. Единство и противоречие классической и квантовой механик. Идеи механицизма в современной науке.

Библиографический список

Основной:

[1, гл. 6, 8];

[2, разд. 1, гл. 5, § 1, 4, 7,8; гл. 6, § 1-4];

[3, гл. 3, § 3.5, 3.7].

Дополнительный: [4, 13, 22, 49, 57, 58, 63, 72, 76].

Семинар 4. ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ В СОВРЕМЕННОЙ

ФИЗИКЕ

Проблема неисчерпаемости материального мира тесно связана с законами сохранения.

Законы сохранения материи и движения свидетельствуют о многообразии связей объективной реальности. Эти законы отражают определенные взаимосвязи материального мира, характеризуют различные природные процессы, протекающие в системах материальных объектов.

Абсолютность материи означает ее всеобщность, несотворимость и неуничтожимость. Это свойство первично по отношению ко всем другим атрибутам материи, в том числе объективности и независимости от нашего сознания, которые производны от сосуществования и взаимодействия.