Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Лекция 4.
Фундаментальные модели и концепции классической физики.
1. Корпускулярная и континуальная концепции.
При рассмотрении какого-либо явления природы любой реальный объект может быть заменен моделью корпускулы (частицы), если не важна его внутренняя структура и размеры. При создании модели используются только основные для описания данного явления характеристики. Использование модельных представлений необходимо для формализованного, математического описания природных объектов. Ньютоновская механика- сочетание экспериментального исследования механических объектов и их математического описания на основе корпускулярной модели.
Уравнения и законы механики позволяют по известному состоянию механической система в некоторый момент времени и известным взаимодействиям (силам) однозначно определить ее состояние в любой следующий момент времени. Все закономерности, которые позволяют по известным взаимодействиям и начальным состояниям однозначно определить будущее состояние системы, называются закономерностями динамического типа.
Из однозначного характера закономерностей динамического типа вытекает представление о жесткой предопределенности (детерминированности) множества событий в природе. Классический детерминизм Лапласа: если было бы возможно учесть взаимодействие всех элементов сколь угодно сложной системы и использовать всю информацию об их начальных состояниях, то можно было бы рассчитать состояние этой системы в будущем, и тем самым исключить случайность в описании ее поведения.
Дальнейшее развитие естествознания показало, что большая часть явлений природы описывается закономерностями не динамического, а статистического типа. Тем ни менее детерминизм проявляется (в экономике, педагогике, политике) как образ мышления, уходящий корнями в механистическую картину мира. Он приводит к упрощенному восприятию действительности, связанным с абсолютизацией причинно-следственных связей и неучетом роли случайных факторов. Физикализм – вид детерминизма, в котором истинность любого научного положения ставится в зависимость от возможности его перевода на язык физики. Социальный физикализм характеризуется привнесением детерминистских представлений в социальную практику (экономику, гос. управление), основан на развитии методов математического моделирования, в том числе и в экономике.
Континуальная концепция возродилась и закрепилась в физике в результате введения понятий электрического и магнитного полей. Она не отрицала корпускулярных взглядов на вещество, но дополняла их и расширяла общие представления о формах материи. До теории Максвелла континуальная концепция нашла воплощение в модели сплошной среды, которая может рассматриваться как предельный случай системы материальных точек. Примером движения сплошной среды является волновое движение, при этом характеристики этого движения (энергия, импульс) не локализованы, как у частицы, а непрерывно распределены в пространстве. Звуковые волны – волны в упругой среде с частотой 20-20000 Гц.
Теория Максвелла, впоследствии названная классической электродинамикой, описывает качественно иной природный объект- электромагнитное поле и электромагнитные волны. Первоначально предполагалось, что распространение ЭМ волн происходит в некоторой среде, названной эфиром, однако эфир не был обнаружен экспериментально, а из теории Максвелла возможность существования ЭМ поля, как особого вида материи. Необходимо отметить, что все открытия, сделанные при развитии электродинамики, не внесли каких-либо изменений в представление о динамическом характере законов природы.
2. Концепция дальнодействия и близкодействия.
Первоначально в естествознании существовало убеждение, что взаимодействие между природными объектами осуществляется через пустое пространство. При этом пространство не принимает никакого участия в передаче взаимодействия, а само взаимодействие передается мгновенно. Такое представление о характере взаимодействия составляет суть концепции дальнодействия.
В ходе исследования свойств ЭМ поля было установлено, что скорость передачи любого сигнала не может превышать скорости света, т.е. является величиной конечной, и от концепции дальнодействия пришлось отказаться. В соответствии с альтернативной концепцией – концепцией близкодействия, в пространстве, разделяющем взаимодействующие объекты, происходит некоторый процесс, распространяющийся с конечной скоростью, т.е. взаимодействие между объектами осуществляется посредством полей, непрерывно распределенных в пространстве.
С окончательным оформлением электромагнетизма классический этап развития физики и всего естествознания завершился. Итогом этого развития стало представление о существовании двух форм материи – вещества и поля, которые считались независимыми друг от друга.
3. Классические представления о пространстве и времени.
Существует две формы описания материальных тел и процессов – пространственная и временная.
Интуитивные представления о понятиях пространства и времени имеет каждый человек на основании повседневного опыта.
Пространство — это совокупность отношений, выражающих взаимное расположение материальных объектов – расстояния между ними и ориентацию.
Время — это совокупность отношений, выражающих длительность и последовательность событий.
Тем самым пространство — это пространственные отношения между материальными объектами, а время — это временные отношения событий друг к другу.
Наиболее общее свойство пространства и времени — их взаимозависимость. Говорить о пространстве без материальных объектов и о времени без каких-либо процессов не имеет никакого смысла. Не существует пространственных и временных отношений по отдельности – любой процесс в природе происходит в некоторой области пространства, а любой материальный объект как-то меняется со временем. Поэтому имеет смысл говорить лишь о единых пространственно-временных отношениях между событиями. Однако для первого знакомства с их свойствами рассмотрим сначала временные отношения в данной точке пространстве и пространственные отношения в данный момент времени порознь. Такое условное разделение допустимо, пока рассматриваемые нами объекты движутся медленно.
А). Временные отношения в природе
Чтобы описать временные отношения, вводится эталонный процесс, называемый часами. В качестве часов можно использовать любой процесс, в котором периодически повторяется одно и то же состояние материального объекта. Примеры таких процессов хорошо известны из повседневной жизни: пульс у человека, движение Земли вокруг оси (сутки) и вокруг Солнца (год), колебания маятника.
Время одномерно. Это значит, что ответ на вопрос «Когда произошло событие А?» требует измерения и указания лишь одного числа — момента времени события tА. Моменты времени различных событий могут быть упорядочены в соответствии с правилом «раньше – позже», после чего им могут быть сопоставлены геометрические точки на оси времени. За начало отсчета на такой оси можно выбрать произвольный момент времени to. Моменты времени одного и того же события относительны, т.е. зависят от выбора начала отсчета времени, сами по себе они не могут служить объективными характеристиками временных отношений.
В качестве объективной характеристики временных отношений принято выбирать промежуток времени , равный разности между двумя моментами времени, отвечающими началу и концу какого-либо процесса. В отличие от них промежуток времени обладает тем свойством, что его значение уже не зависит от выбора начала отсчета времени. Иными словами, в данной точке пространства промежутки времени инвариантны, т.е. неизменны по отношению к выбору начала отсчета времени. В этом проявляется важнейшее свойство времени — его однородность.
Время изменяется только от прошлого через настоящее к будущему.
для определения положения какого-либо события в пространстве требуется произвести три измерения и указать три числа, называемые пространственными координатами, например, высоту над поверхностью Земли, широту и долготу (физическое пространство трехмерно).
Рассмотрим сначала пространственные отношения в одном измерении, например, вдоль оси X. С этой целью введем эталонный объект — масштаб (линейку), в качестве которого можно использовать любой материальный объект (твердое тело), размеры которого можно считать неизменными. Положение материального объекта вдоль оси X может быть указано в соответствии с правилом «ближе–дальше», после чего ему сопоставляется геометрическая точка хА. За начало отсчета на такой оси можно выбрать произвольную точку х0 = 0. Пространственные координаты одного и того же события относительны: они зависят от выбора начала отсчета пространственных координат и поэтому сами по себе не могут служить объективными характеристиками пространственных отношений. Расстояние между двумя точками на этой оси, отвечающими положениям двух различных материальных объектов достаточно малого размера, уже не зависит от выбора начала отсчета. Иными словами, в данный момент времени расстояние вдоль оси Х инвариантно (неизменно) по отношению к выбору начала отсчета пространственных координат, поэтому его можно выбирать в качестве объективной характеристики пространственных отношений вдоль оси Х. В этом отражается важнейшее свойство пространства — его однородность. Это означает физическое равноправие всех точек в пространстве.
В трехмерном пространстве помимо того, что для каждого объекта необходимо задавать не одну, а три координаты, для описания пространственных отношений двух материальных объектов необходимо указывать направление от одного материального объекта к другому. Для этих целей служит вектор , длина которого равна расстоянию между объектами, а его направление в заданной системе координат характеризуется направляющими углами с осями координат.
Разности пространственных координат двух объектов зависят от выбора направлений осей координат. А расстояние между объектами и углы между двумя прямыми не изменяются при повороте координатных осей. В этом находит отражение еще одно важнейшее свойство пространства — его изотропность (физическое равноправие всех направлений в пространстве).
пространство однородно и изотропно. время однородно. Следовательно, ни в пространстве, ни во времени нет особых (выделенных, заметных глазу) точек и направлений. Для описания любых изменений в природе (в том числе и механического движения) необходимо построить искусственную систему, относительно которой определяется положение и время протекания процесса – систему отсчета (СО). Система отсчета состоит из: тела отсчета, связанной с ним системы координат и указания о начале отсчета времени (часов).
.
Принцип относительности Галилея-Ньютона:
Отсюда следует:
Классические преобразования Галилея – формулы преобразований координат и времени при переходе из одной ИСО в другую ИСО :
Рис.1
Закон сложения скоростей Галилея – формула преобразования скорости при переходе из одной ИСО в другую ИСО :
.
4. Принципы симметрии и законы сохранения.
Экспериментально установлено, что в природе возможны не любые процессы и движения, а только те, которые не нарушают так называемые законы сохранения. Законы сохранения связаны с фундаментальными свойствами симметрии в природе.
Видов симметрии много, простейшие связаны с геометрическими операциями, которые приводят к совпадению тела самим с собой (сфера симметрична относительно любого поворота). В более общем случае симметрия проявляется в неизменности (инвариантности) тела или системы по отношению к какой-либо операции.
В 1918 году немецкий математик Амали Нётер сформулировал теорему, согласно которой каждому виду симметрии должен соответствовать определенный закон сохранения.
Так установлено, что с однородностью времени (инвариантность относительно операции сдвига) связан закон сохранения энергии; с однородностью пространства связан закон сохранения импульса; с изотропностью пространства (инвариантность относительно операции поворота) – закон сохранения момента импульса.
Любой процесс, при котором нарушился хотя бы один из законов сохранения невозможен, т.е. эти законы работают как принципы запрета. В этом качестве законы сохранения играют важную методологическую роль в естествознании.
PAGE 4