Концепции современного естествознания 2 4 (стр. 4 из 15)
Тем не менее, материя смотрится сплошной и непрерывной. Если мы описываем расположение в пространстве системы, её агрегатное состояние, то мы учитываем свойства материи, её непрерывность. Если же мы описываем химические связи вещества, если рассматриваем природу тепловых, электрических явлений, то мы рассматриваем дискретную структуру, учитываем прерывность материи.
Непрерывность материи и её дискретные свойства неразделимы.
Существует закон сохранения, связанный со свойствами пространства и времени. Декарт сказал, то пространство изотропно и однородно. Однородность пространства объясняется параллельным переносом тел.
Принцип инвариантности (неизменности). Связан со сдвигом в пространстве и времени – неизменность преобразования материального объекта в пространстве.
Движение материальных тел в пространстве связано с законами симметрии.
Симметрия всегда проявляется при изменении расположения тел в пространстве.
Г. Вейль в начале XX века: Симметричным называется предмет, который можно изменить в пространстве так, чтобы получить то, с чего начинали.
Симметрия проявляется в кристаллах, раковинах моллюсков, листьях растений.
Плоскость симметрии:
Зеркальная (хиральная) симметрия (рука, лапа, изомеры, глюкоза, молочная кислота). Самое древнее изображение симметрии – орнамент, например, мозаичные структуры встреч у крокодила, черепахи.
Симметрия – эстетический принцип, когда дублируется рисунок. Очень большое значение она имеет для архитектуры.
На востоке симметрия особо почиталась. Западное искусство всегда отступало от симметрии.
Симметрия создает в системе устойчивость. Симметричная система всегда сопротивляется введению динамичных элементов, следовательно, она является тормозом для эволюции. Ход эволюции материальных систем – это единство и борьба противоположностей (симметричности и асимметричности).
У живых организмов сохраняются наследственные признаки симметрии. Из однородности пространства следует закон сохранения импульса.
Импульс замкнутой материальной системы сохраняется, то есть, не изменяется с течением времени при параллельном переносе системы в пространстве. Если система открытая, то импульс сохраняется и для них, если геометрическая сумма всех сил, действующих на систему, равна нулю. Закону сохранения импульса подчиняется движение планет, галактик в мегамире; соблюдается для всех объектов макро- и мегамира. Это фундаментальный закон природы.
Другое свойство пространства – это Изотропность. Из него следует тоже фундаментальный закон – закон сохранения момента импульса.
L=mvr
Момент импульса замкнутой системы сохраняется, то есть, не изменяется с течением времени. Для открытых – аналогично, если сумма всех сил, воздействующих на систему, равна нулю. Закону сохранения момента импульса подчиняются:
· В мегамире – вращение всех материальных объектов (планет, звезд, звездных систем, галактик)
· В макромире – вращение тел
· В микромире – вращение всех частиц
В пространстве существует однородность времени – это инвариантность физической величины материальной системы отсчета относительно выбора начала отсчета. Из однородности времени следует закон сохранения механической энергии.
В системе, в которой между телами действуют только консервативные силы, полная механическая энергия сохраняется, то есть, не зависит от времени. Если совершенная в системе работа не зависит от пути перехода тела из одного состояния в другое, то в системе действуют консервативные силы.
Реальных систем таких не существует. В такой системе происходит только взаимопревращение потенциальной и кинетической энергии, других превращений нет. При этом полная механическая энергия сохраняется.
Если система открытая, то в ней действуют диссипативные силы и полная механическая энергия не сохраняется, часть энергии переходит в излучение, тепло и т.п.
Вне зависимости оттого, действуют ли в системе диссипативные или консервативные силы, в любом случае энергия сохраняется, только переходит из одной формы в другую. Закон сохранения энергии (ЗСЭ) является фундаментальным законом природы.
Э. Нуттер в 20-е гг. XX века установил связь между законами сохранения и свойствами природы и времени. В то же время А.А. Фридман разработал на основании симметрии пространства и времени теорию возникновения Вселенной.
Законы сохранения связаны с математической теорией групп, применяемой в квантовой механике, которая и постулировала дискретность времени и пространства.
Волновая концепция в естествознании.
Волны звука, на воде, механические колебания, колебания струны, колебания в земной коре, электромагнитные волны.
Основные свойства волн:
1. Все волны обладают конечной скоростью. Скорость распространения волн зависит от среды.
· Скорость света в вакууме – 300000 км/с
· Звук при 0°С, Р=1 атм – 330 м/с
2. Все виды волн обладают импульсом.
3. Движение волн подчиняется принципу суперпозиции.
4. Все волны переносят энергию.
Любая колеблющаяся система, независимо от её физической природы, называется осциллятор.
· Существуют колебания с постоянной амплитудой – незатухающие.
· С точки зрения кинематики бывают периодические и непериодические колебания.
· По способу возбуждения бывают собственные и вынужденные.
· По направлению распространения – продольные и поперечные.
Продольные – сжатие и растяжение пружины, забивание гвоздя, распространение звука, кроме распространения в твердых телах. Человеческое ухо воспринимает звуковые колебания от 16 до 20000 Гц.
Поперечные волны – частицы среды колеблются перпендикулярно направлению распространения волны. Например, колебание струны, в твердых телах даже звук распространяется поперечно (все волны в твердых телах поперечны), электромагнитные волны.
В природе встречаются плоские и трехмерные волны. Звуковые волны являются трехмерными, электромагнитные – плоскими.
Когда плоская волна попадает на препятствие, она преломляется – это явление дифракции.
Ф Гримальди (1665) впервые описал дифракцию.
Т. Гук и Х. Гюйгенс, XVII век – придерживались теории эфира.
Одна из работ Гюйгенса – «Трактат о свете».
Принцип Гюйгенса: Каждая точка среды, до которой доходит волна, является в свою очередь центром одной из элементарных вторичных волн, огибающая которых становится волновой поверхностью в следующий момент времени.
Гюйгенс доказал, что дифракция проявляется, если длина (диаметр) препятствия меньше или равен длине волны.
Идеи Гюйгенса были доработаны Френелем, он же дошёл до открытия интерференции. Интерференция – сложение двух или более волн одинакового периода, которые сходятся в одной точке. При наложении амплитуд может давать интерференционные максимумы и минимумы. Главным условием интерференции является когерентность волн (фиксированная разность фаз и одинаковая частота). Для наблюдения интерференции света требуется наличие двух волн от одного источника, но с геометрической разностью хода.
Явление интерференции наблюдается как для продольных, так и для поперечных волн любого типа.
Один из способов наблюдения – дифракционная решетка – решетка с 2000 штрихов на 1 мм. Даёт очень высокую разрешающую способность и используется для спектрографов. В сейсмологии при помощи дифракционной решетки улавливают смещение до 10-6 м. Интерференция применяется в просветленной оптике для уменьшения бликов и потерь энергии. В современных перископах сейчас проходит до 85-90% световых волн, раньше это число не превышало 30%.
Голография – голос (олос) (греч.) – полно, целиком.
Создана Габором в 1947-м году.
Спектры электромагнитного излучения атома
Радиоволны и радарное излучение в том случае, когда происходит изменение спина атома или ядра. Инфракрасное – за счет колебаний атомов в молекуле. Видимое, ультрафиолетовое – за счет квантовых переходов внешних электронов атома из возбужденного состояния в основное. Рентгеновское – за счет перехода электронов с внешних оболочек на внутренние. Гамма-излучение – связано с ядерными процессами и никак не связана с электронами.
Теория Бора является промежуточным звеном между классической и квантовой механикой.
Первый постулат был объяснен на основе уравнений де Бройля.
   |  |
2рrn – длина окружности боровской орбиты.
Вывод: боровские (стационарные) орбиты – это такие орбиты, на которых укладывается целое число волн де Бройля.
Критерии применимости законов микро-, макро- и мегамира.
1.Макромир: Законы классической механики. Главный критерий: v<<c.
2.Мегамир: v®c. Релятивистская механика.
3.Микромир: Квантовая механика – постоянная Планка.
Гейзенберг в 1926 году выдвинул принцип неопределенности.
Для частиц, обладающих корпускулярно-волновым дуализмом нельзя одновременно определить точно и координату и импульс. Чем точнее определяется координата, тем менее точно можно определить импульс.
