Учебно-метод пособие КСЕ стац гум

В 1668–1671 гг. Ньютон конструирует первый телескоп отражательного типа (до него в телескопах использовались не зеркала, а линзы).

Выдающихся результатов Ньютон достиг и в своих оптических исследова-

ниях. С помощью системы призм он разложил пучок белого (солнечного)

света на семь отдельных пучков разной окраски, а затем, опять же с помо-

щью призм, соединил семь цветовых пучков в пучок белого света.

В опытах с призмами он подтверждал свою теорию, согласно которой в бе-

лом свете содержатся семь цветов (красный, оранжевый, желтый, зеленый,

голубой, синий, фиолетовый).

Рене Декарт (1596–1650) - французский философ и естествоиспытатель, ча-

ще называвший себя по-латыни Картезиусом. Он был одним из основателей рационализма – учения о разуме, как основе познания и поведения людей.

предложил описание положения точки на плоскости двумя числами

(декартова система координат).

основной труд - «Начала философии»

достиг многого в математике (создатель аналитической геометрии),

физике (принцип инерции, закон сохранения количества движения,

объяснение природы радуги)

даже физиологии (именно он ввел понятие рефлекса).

Рис.10. Иллюстрация к представлениям Р.Декарта о принципе отражения

(рефлекс) в работе нервной системы.

51

Рене Декарт (1596-1650) – «Мыслю, следовательно, существую» - гово-

рил Картезиус, и отталкиваясь от факта существования собственного «Я», до-

казывал существование мира. Мир по Декарту – протяженная материя, не имеющее границ однородное пространство. Оно, как утверждал философ, соз-

дано Богом, но упорядочено без его участия законами природы, иными слова-

ми, современный мир – результат эволюции материи. Предложенная им тео-

рия вихрей объясняла вращение Земли и других планет и их орбитальное дви-

жение. Однако, объяснить законы Кеплера и ряд других особенностей космо-

гонии Декарт не смог. Впоследствии Ньютон заявил: «Если я вижу теперь дальше Декарта, то это потому, что стою на плечах гиганта».

Характерные особенности механистической картины мира:

симметрия процессов во времени; все состояния механического движе-

ния тел по отношению ко времени оказываются в принципе одинаковы-

ми;

все механические процессы подчиняются принципу строгого детерми-

низма (причинности), суть которого состоит в признании возможности точного и однозначного определения состояния механической системы ее предыдущим состоянием;

пространство и время имеют абсолютный характер и никак не связаны с движением тел;

известна только одна форма существования материи – вещество;

принцип механицизма или редукционизма: тенденция свести законо-

мерности более высоких форм движения материи к законам простейшей его формы – механическому движению;

принцип дальнодействия, согласно которому действия и сигналы могут передаваться в пустом пространстве (без посредников) с какой угодно скоростью.

52

Существующая картина мира в свою очередь оказывает воздействие на другие отрасли науки. Так, в 17 веке под влиянием механистической картины мира сложились представления о рефлексе как о механизме психики.

Второй по времени появления была электромагнитная картина мира,

сформировавшаяся в середине 19 века. В ее становлении особую роль сыграла электромагнитная теория Дж. Максвелла, разработанная им на основе опытов М.Фарадея и других ученых.

Электрические и магнитные процессы до 19 века изучались незави-

симо друг от друга

В 1820 г. Эрстед открыл действие электрического тока на магнитную стрелку,

т.е. открыл магнитное поле тока

Майкл Фарадей (1791–1867)

Установил закономерности выделения вещества из раствора при проте-

кании электрического тока в нем,

впервые наблюдал возникновение электрического тока в проводнике при движении около него магнита (явление электромагнитной индук-

ции)

установил закономерности этого процесса,

ввел понятие магнитного и электрического поля,

открыл влияние магнитного поля на свойства света.

Основные положения электромагнитной теории

Переменное электрическое поле и электрический ток создают магнитное поле

Переменное магнитное поле создает переменное электрическое поле

Электрическое поле создается электрическим зарядом

Единичных магнитных зарядов (монополей) не существует

53

Характерные особенности электромагнитной картины мира:

возможность существования материи не только в форме вещества, но и в форме полей (электромагнитного, а позже и гравитационного);

принцип близкодействия, согласно которому действия и сигналы могут передаваться с конечной скоростью (не превышающей скорость света)

при посредстве полей.

На рубеже 19-20 веков в естествознании осуществляется революция, ко-

торой предшествовал кризис в физике, связанный с открытиями явления ра-

диоактивности и элементарных частиц. 1887г. - Генрих Герц открыл явление

фотоэффекта

1895г. – открытие Вильгельмом Конрадом Рентгеном излучения, испус-

каемого металлическим анодом под воздействием направляемых на него катодных лучей (электронов)

1896 г. – Анри Беккерель случайно обнаружил, что соль урана самопро-

извольно испускает излучение, обладающее способностью засвечивать фотопластинку

Рис. 11. Поведение разных лучей в магнитном поле.

Мария и Пьер Кюри открыли новые радиоактивные элементы – по-

лоний и радий

Начиная с 1919г. физики активно используют различные частицы для бомбардировки стабильных ядер и последующего изучения результатов

54

такого воздействия

1894г. - Дж. Томсон предложил модель атома в виде положительно за-

ряженного по объему шара, внутри которого, подобно изюму в кексе,

распределены отрицательно заряженные электроны

1895г. – открытие электронов (Дж. Томсон )

Рис.12. Атом в представлениях Дальтона (слева) и Дж. Томсона (справа)

Рис.13а.Опыт Э. Резерфорда (1909)

55

Рис.13б.Объяснения к опыту Э. Резерфорда (1909)

Планетарная модель атома Э.Резерфорда (1911)

Рис.14. Планетарная модель строения атома Э.Резерфорда.

Модель Резерфорда оказалась в противоречии с классической элек-

тродинамикой, согласно которой электрон, вращаясь вокруг ядра, должен не-

прерывно излучать энергию. Но в таком случае он быстро потерял бы ее и упал на ядро

Для разрешения этих противоречий в 1913 г. Нильс Бор выдвинул

постулаты.

Постулаты Н.Бора:

56

1.атомы в стационарном состоянии не поглощают и не излучают энер-

гии; при этом электроны вращаются по стационарным орбитам, кото-

рым соответствуют определенные значения энергии

2.Поглощение или излучение энергии атомом происходит только при пе-

реходе электронов с одной стационарной орбиты на другую в форме квантов

1913 г. – открытие Дж. Франком и Г. Герцем фотона

1919 г. – открытие Э.Резерфордом протона

1932г. –открытие нейтрона Джеймсом Чедвиком

1923г. – Артур Комптон показал, что фотон может вести себя как частица (корпускула): фотоны и электроны при соударении отскакива-

ют друг от друга подобно упругим мячам

1924г. – Луи де Бройль предположил, что при определенных условиях элементарные частицы должны проявлять и волновые свойства (прин-

цип корпускулярно-волнового дуализма)

Рис. 15. Эксперимент, выявляющий корпускулярные свойства электро-

нов

57

Рис. 16. Эксперимент, выявляющий волновые свойства электронов

Новые факты опровергли классические представления о неделимости атома и обозначили начало нового периода в развитии физики – неклассиче-

ского.

Рождается новая наука – квантовая механика, предметом которой яв-

ляется атом и его структуры. Итогом ее развития является формирование в первой трети 20 века третьей – квантово-полевой картины мира.

Характерные особенности квантово-полевой картины мира:

материя рассматривается в трех возможных формах существования: ве-

щество, поле, физический вакуум, связанных взаимными переходами;

принцип корпускулярно-волнового дуализма, согласно которому в оп-

ределенных условиях частицы вещества проявляют волновые свойства,

а частицы поля – свойства корпускул;

принцип детерминизма сменяется принципом вероятностностатисти-

ческим, согласно которому можно говорить лишь о вероятности того,

где в данный момент времени находится частица;

принцип неопределенности Гейзенберга: знание точной координаты частицы приводит к полной неопределенности ее импульса, и, наоборот,

точное знание импульса частицы – к полной неопределенности ее ко-

ординаты;

58

принцип дополнительности Бора: с помощью конкретного макроскопи-

ческого прибора мы можем исследовать либо корпускулярные свойства микрообъектов, либо волновые, но не те и другие одновременно; обе стороны предмета должны рассматриваться как дополнительные друг к другу;

представления о 4-х типах фундаментальных взаимодействий в природе

(гравитационное, электромагнитное, сильное, слабое);

пространство и время относительны (зависят от гравитационных полей и движения тел) и взаимосвязаны (пространственно-временной контину-

ум).

ОСНОВНЫЕ КАТЕГОРИИ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

К наиболее общим, важным, фундаментальным категориям естествозна-

ния относятся материя, движение, пространство, время.

Материя – это философская категория, служащая для обозначения объ-

ективной реальности, которая отображается нашими ощущениями, существуя независимо от них.

В классическом представлении в естествознании различают два вида ма-

терии: вещество и поле. Но вещество и поле рассматривались отделенными друг от друга. Только квантовая механика впервые позволила установить связь вещества и поля. Экспериментальное открытие в 1927 году дифракции электронов доказало, что микрочастицы вещества и поля имеют двуединую природу – одновременно корпускулярную (дискретную) и волновую (непре-

рывную). В современных представлениях материя может существовать в трех формах: вещества, поля и физического вакуума, связанных взаимными пере-

ходами (принцип корпускулярно-волнового дуализма и явление аннигиляции).

59

Три формы существования материи

принцип корпускулярно- волнового дуализма

вещество	поле
аннигиляция	аннигиляция

физический

вакуум

Рис.17. Формы существования материи в современном естествознании

Некоторые ученые объединяют вещество и поле в единый тип реально-

сти, которая действует на наши органы чувств и взаимодействует сама с со-

бой, проявляясь в одних условиях как вещество (физические тела, молекулы,

атомы, частицы), а в других – как поле (свет, радиация, гравитация, радиовол-

ны). Однако это объединение в большей степени касается, вероятно, не макро

-, а микромира, многие свойства которого носят квантово-механический ха-

рактер.

Пространство – первое представление о нем возникло из очевидного существования в природе твердых физических тел, занимающих определен-

ный объем. Из такого представления следовало, что пространство выражает порядок сосуществования физических тел. Первой законченной теорией про-

странства является геометрия Евклида, созданная около 2000 лет назад. Гео-

метрия Евклида оперирует идеальными математическими объектами, которые существуют как бы вне времени.

И.Ньютон ввел понятие абсолютного пространства, которое может быть совершенно пустым и существует независимо от наличия в нем физических тел. Свойства такого пространства описываются Евклидовой геометрией. С

точки зрения современного естествознания пустое пространство – это идеали-

60